Monter_elektronik_725[01]_Z3.01

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

SPIS TREŚCI

1. Wprowadzenie

2. Wymagania wstępne

3. Cele kształcenia

4. Materiał nauczania

4.1. Zasada działania układów automatycznej regulacji

4.1.1. Materiał nauczania

4.1.2. Pytania sprawdzające

4.1.3. Ćwiczenia

4.1.4. Sprawdzian postępów

4.2. Elementy składowe układu automatycznej regulacji i ich funkcje

4.2.1. Materiał nauczania

4.2.2. Pytania sprawdzające

4.2.3. Ćwiczenia

4.2.4. Sprawdzian postępów

4.3. Czujniki i przetworniki pomiarowe – budowa i zasada działania

4.3.1. Materiał nauczania

4.3.2. Pytania sprawdzające

4.3.3. Ćwiczenia

4.3.4. Sprawdzian postępów

4.4. Regulatory – budowa i zasada działania

4.4.1. Materiał nauczania

4.4.2. Pytania sprawdzające

4.4.3. Ćwiczenia

4.4.4. Sprawdzian postępów

4.5. Sterowniki PLC – budowa i zasada działania

4.5.1. Materiał nauczania

4.5.2. Pytania sprawdzające

4.5.3. Ćwiczenia

4.5.4. Sprawdzian postępów

4.6. Urządzenia rejestrujące – budowa i zasada działania

4.6.1. Materiał nauczania

4.6.2. Pytania sprawdzające

4.6.3. Ćwiczenia

4.6.4. Sprawdzian postępów

4.7. Elementy przełączające – budowa i zasada działania

4.7.1. Materiał nauczania

4.7.2. Pytania sprawdzające

4.7.3. Ćwiczenia

4.7.4. Sprawdzian postępów

4.8. Przetworniki elektrooptyczne – budowa i zasada działania

4.8.1. Materiał nauczania

4.8.2. Pytania sprawdzające

4.8.3. Ćwiczenia

4.8.4. Sprawdzian postępów

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.9. Układy regulacji wielkości nieelektrycznych (temperatura, ciśnienie,

przepływ) – budowa i zasada działania

4.9.1. Materiał nauczania

4.9.2. Pytania sprawdzające

4.9.3. Ćwiczenia

4.9.4. Sprawdzian postępów

4.10. Instalacja i obsługa urządzeń regulacji

4.10.1. Materiał nauczania

4.10.2. Pytania sprawdzające

4.10.3. Ćwiczenia

4.10.4. Sprawdzian postępów

4.11. Zabezpieczenia w układach automatyki

4.11.1. Materiał nauczania

4.11.2. Pytania sprawdzające

4.11.3. Ćwiczenia

4.11.4. Sprawdzian postępów

5. Sprawdzian osiągnięć

6. Literatura

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

1. WPROWADZENIE

Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy z zakresu instalowania urządzeń

automatyki i obsługi prostych układów automatycznej regulacji.

W poradniku zamieszczono:

−

wymagania wstępne – wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć już ukształtowane,
abyś bez problemów mógł korzystać z poradnika,

−

cele kształcenia – wykaz umiejętności, jakie ukształtujesz podczas pracy z poradnikiem,

−

Materiał Nauczania – podstawowe wiadomości teoretyczne niezbędne do opanowania
treści jednostki modułowej,

−

zestaw pytań przydatny do sprawdzenia, czy już opanowałeś treści zawarte
w rozdziałach,

−

ćwiczenia, które pomogą Ci zweryfikować wiadomości teoretyczne oraz ukształtować
umiejętności praktyczne,

−

sprawdzian postępów,

−

sprawdzian osiągnięć – przykładowy zestaw zadań i pytań. Pozytywny wynik
sprawdzianu potwierdzi, że dobrze pracowałeś podczas zajęć i że nabyłeś wiedzę
i umiejętności z zakresu tej jednostki modułowej,

−

literaturę uzupełniającą.
Z rozdziałem Pytania sprawdzające możesz zapoznać się:

−

przed przystąpieniem do rozdziału „Materiał nauczania” – poznając wymagania
wynikające z zawodu, a po przyswojeniu wskazanych treści, odpowiadając na te pytania
sprawdzisz stan swojej gotowości do wykonywania ćwiczeń,

−

po opanowaniu rozdziału Materiał nauczania, by sprawdzić stan swojej wiedzy, która
będzie Ci potrzebna do wykonywania ćwiczeń.

Kolejny etap to wykonywanie ćwiczeń, których celem jest uzupełnienie i utrwalenie

wiadomości z zakresu badania układów mikroprocesorowych i ich montażu.

Wykonując ćwiczenia przedstawione w poradniku lub zaproponowane przez nauczyciela,

będziesz  poznawał  zasadę  działania  układów  automatycznej  regulacji,  elementy  składowe
układu  regulacji  i  ich  funkcje,  budowę  i  zasadę  działania  czujników  i  przetworników
pomiarowych,  regulatorów,  sterowników  PLC,  urządzeń  rejestrujących,  elementów
przełączających,  przetworników  elektrooptycznych  i  układów  regulacji  wielkości
nieelektrycznych  (temperatury,  ciśnienia,  przepływu)  oraz  badał  i  instalował  wybrane
urządzenia  (np.  z  przetwornikiem  temperatury,  z  czujnikiem  ciśnienia,  optoelektroniczne,
regulator  temperatury,  sterownik  PLC,  regulator  PID),  układ  regulatora  przepływu,  a  także
poznawał  zasady  instalowania  i  obsługi  urządzeń  automatyki  oraz  badał  zabezpieczenia
stosowane w układach automatyki. Po wykonaniu zaplanowanych ćwiczeń, sprawdź poziom
swoich postępów wykonując „Sprawdzian postępów”.

Odpowiedzi „Nie” wskazują luki w Twojej wiedzy, informują Cię również, jakich

zagadnień jeszcze dobrze nie poznałeś. Oznacza to także powrót do treści, które nie są
dostatecznie opanowane.

Poznanie przez Ciebie wszystkich lub określonej części wiadomości będzie stanowiło

dla nauczyciela podstawę przeprowadzenia sprawdzianu poziomu przyswojonych
wiadomości i ukształtowanych umiejętności. W tym celu nauczyciel może posłużyć się
zadaniami testowymi.

W poradniku jest zamieszczony sprawdzian osiągnięć, który zawiera przykład takiego

testu oraz instrukcję, w której omówiono tok postępowania podczas przeprowadzania

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Schemat układu jednostek modułowych

725[01].Z3

Instalacja urządzeń elektronicznych

725[01].Z3.01

Instalowanie urządzeń automatyki

i obsługa prostych układów

automatycznej regulacji

725[01].Z3.02

Instalowanie sterowników i regulatorów

mikroprocesorowych

725[01].Z3.03

Instalowanie urządzeń elektronicznych

powszechnego użytku

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

2. WYMAGANIA WSTĘPNE

Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

−

dobierać przyrządy pomiarowe,

−

obsługiwać podstawowe przyrządy pomiarowe,

−

mierzyć wielkości elektryczne,

−

rozróżniać elementy i podzespoły elektroniczne na podstawie oznaczeń i wyglądu,

−

montować elementy elektroniczne,

−

uruchamiać i testować proste układy cyfrowe i analogowe,

−

objaśniać budowę i działanie podstawowych układów cyfrowych i analogowych,

−

korzystać z różnych źródeł informacji,

−

korzystać z jednostek układu SI,

−

stosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony przeciwpożarowej i ochrony
środowiska.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

−

scharakteryzować elementy stosowane w układzie automatyki, takie jak: czujniki,
przetworniki, regulatory, elementy wykonawcze,

−

wyjaśnić działanie układu automatycznej regulacji,

−

rozróżnić typy regulatorów oraz określić ich zastosowanie,

−

zmontować i zainstalować prosty układ automatycznej regulacji w typowym
zastosowaniu,

−

posłużyć się normami, katalogami, dokumentacją techniczną,

−

odczytać schematy blokowe, ideowe i montażowe urządzeń automatyki,

−

sporządzić wstępny kosztorys wykonania montażu układu automatyki,

−

ocenić jakość wykonanej pracy,

−

zademonstrować poprawność wykonywanego montażu układu automatyki,

−

zorganizować stanowisko pracy zgodnie z wymaganiami ergonomii, zasadami
bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony przeciwpożarowej oraz ochrony środowiska,

−

zastosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony przeciwpożarowej
i ochrony środowiska podczas montażu urządzeń automatyki,

−

przewidzieć zagrożenia występujące podczas montażu układów automatyki.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4. MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1. Zasada działania układów automatycznej regulacji

4.1.1. Materiał nauczania

W urządzeniach elektronicznych bardzo często występują układy sterowania

automatycznego, które możemy podzielić na:

−

otwarte układy sterowania,

−

zamknięte układy sterowania, nazywane układami automatycznej regulacji.
Sterowanie jest to oddziaływanie na określony obiekt sterowania (urządzenie, zespół

urządzeń,  w  których  przebiega  proces  technologiczny)  w  celu  osiągnięcia  żądanego
zachowania  się,  zgodnego  z  zadanym  sterowaniem.  Wielkości  fizyczne,  za  pomocą  których
otoczenie oddziałuje na obiekt, nazywamy wielkościami wejściowymi obiektu. Wielkości, za
pomocą  których  obiekt  oddziałuje  na  otoczenie,  nazywamy  wielkościami  wyjściowymi.
Wielkości  powodujące  nie  zamierzone,  przypadkowe  oddziaływanie  otoczenia  na  obiekt,
nazywamy wielkościami zakłócającymi.

Sygnały wyjściowe obiektu sterowania są zwane sygnałami sterowanymi, a sygnały

wejściowe to sygnały sterujące – realizujące sterowanie obiektu oraz zakłócenia – wszelkie
inne oddziaływania, utrudniające realizację zadania sterowania.

Zadanie sterowania ma zazwyczaj postać żądanego przebiegu sygnałów sterowanych

i jest wówczas zwane sygnałem zadanym.

Układ dokonujący sterowania – wytwarzający sygnały sterujące – jest zwany

urządzeniem  sterującym.  Sygnałem  wejściowym  urządzenia  sterującego  jest  informacja
o  zadaniu  sterowania.  Urządzenie  sterujące  i  obiekt  stanowią  układ  sterowania,  który  może
być otwarty lub zamknięty (rys. 1).

Rys. 1.

Układy sterowania: a) otwarty, b) zamknięty [2, s. 75]

W otwartym układzie sterowania urządzenie sterujące nie otrzymuje zwrotnej informacji

o aktualnej wartości sygnału sterowanego, natomiast w układzie zamkniętym, ze sprzężeniem
zwrotnym, otrzymuje ją, przy czym informacja ta wpływa na przebieg sterowania.

Układy sterowania otwartego występują we wszelkich rodzajach automatów

o działaniu cyklicznym. Do tych urządzeń należą automaty handlowe (np. sprzedaż  biletów,
napojów),  automaty  oświetleniowe,  układ  zdalnego  przełączania  programów  TV  za  pomocą
pilota,  układ  wygaszania  plamki  po  wyłączeniu  telewizora  itp.  W  każdym  z  nich  sygnał
wejściowy  inicjujący  cykl  powoduje  pojawienie  się  określonej  wielkości  wyjściowej

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

z obiektu, np. po wrzuceniu monety, żetonu (sygnał wejściowy) uzyskuje się puszkę napoju
(sygnał wyjściowy).

W układzie otwartym, obieg sygnału nie tworzy obwodu zamkniętego. Układy

sterowania otwartego są nieprzydatne do stabilizacji wielkości wyjściowej.

Sterowanie w układzie zamkniętym nazywa się regulacją (rys. 2). Odpowiednio zaś:

układ  sterowania  –  układem  regulacji,  obiekt  sterowania  –  obiektem  regulacji,  urządzenie
sterujące  –  urządzeniem  regulującym  (regulatorem),  sygnał  sterowany  –  sygnałem
regulowanym.  Sygnał  oddziaływania  regulatora  na  obiekt  jest  dalej  nazywany  sygnałem
sterującym.

Rys. 2.

Schemat prostego układu regulacji automatycznej [8, s. 16]

Istotą tej struktury jest występowanie toru, po którym wielkość wyjściowa y z wyjścia

obiektu jest przesyłana na jego wejście. W układzie tworzy się zamknięty obwód
przekazywania sygnałów. Układ o tej strukturze sterowania jest układem sterowania ze
sprzężeniem zwrotnym.

W układach sterowania ze sprzężeniem zwrotnym do elementarnych zadań sterowania

należy realizacja warunku

– y = ε → 0

tzn. utrzymanie uchybu ε na poziomie bliskim zeru, co jest równoznaczne ze stabilizacją
sygnału regulowanego y na poziomie sygnału zadanego y

Układy sterowania, których celem jest spełnienie tego elementarnego warunku, należą do

układów regulacji.

W układzie regulacji sygnał regulowany jest wprowadzany do regulatora przez tzw.

ujemne sprzężenie zwrotne. Takie oddziaływanie obiektu na regulator jest charakterystyczne
dla wszystkich układów regulacji.

Podstawowym pojęciem z zakresu układów regulacji jest odchyłka (uchyb) regulacji,

oznaczająca  różnicę  między  pożądaną  (zadaną)  a  rzeczywistą  aktualną  wartością  sygnału
regulowanego.  Zadaniem  regulatora  jest  takie  oddziaływanie  na  obiekt  regulacji,  aby
odchyłka  regulacji  była  bliska  zera.  Regulator  podzielono  na  układ  porównujący,  który
wytwarza  sygnał  odchyłki,  oraz  układ  formujący,  który  przekształca  sygnał  odchyłki  na
sygnał sterujący. Sprzężenie zwrotne jest ujemne, co zaznaczono za pomocą znaku minus na
wejściu układu porównującego.

Przykładem układu regulacji automatycznej może być zasilacz stabilizowany, którego

zadaniem jest utrzymanie stałej wartości napięcia, bez względu na zmiany napięcia
zasilającego na wejściu zasilacza oraz zmiany obciążenia na wyjściu zasilacza.

Klasyfikacja układów regulacji

Układy regulacji można podzielić, jak wszystkie układy dynamiczne, na ciągłe

i impulsowe, liniowe i nieliniowe.

Własności regulatora są zwykle ustalone z góry i z założenia niezmienne w czasie.

W bardziej złożonych przypadkach, gdy równania obiektu, charakter zadania sterowania lub

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

zakłócenia zmieniają się w czasie pracy układu, może być pożądane dopasowanie (adaptacja)
równania regulatora. Układy regulacji o celowo zmieniających się równaniach regulatora są
zwane układami adaptacyjnymi.

Jeżeli w czasie syntezy układu regulacji dążymy do uzyskania najlepszych wskaźników

jakości, nie ograniczając struktury regulatora, to taki układ nazywamy układem optymalnym.
Jeżeli typ regulatora jest z góry zadany, a synteza zapewnia najlepsze wskaźniki jakości
jedynie wśród regulatorów danego typu, to taki układ nazywamy układem parametrycznie
optymalnym.

Ze względu na realizowane zadania sterowania układy dzielimy na:

−

układy sterowania stałowartościowego, w których sygnał zadany przybiera stałą wartość,

−

układy sterowania programowego, w których sygnał zadany jest znanym z góry
programem,

−

układy sterowania nadążnego, w których sygnał zadany ma charakter nieprzewidziany,
przypadkowy, a sterowanie ma na celu uzyskanie przebiegu procesu zgodnie
z podawanym na bieżąco sygnałem sterującym,

−

układy sterowania ekstremalnego (bez jawnie występującego sygnału zadanego), gdzie
zadaniem jest utrzymanie jednego z sygnałów wyjściowych obiektu na wartości
maksymalnej lub minimalnej,

−

układy  sterowania  sekwencyjnego,  w  których  algorytm  działania  jest  wcześniej
określony,  składający  się  z  ciągu  prostych  zadań  realizowanych  kolejno,  przy  czym
przejście  do  następnego  z  tych  zadań  zależy  od  realizacji  poprzednich  zadań  albo  od
spełnienia innych warunków.

4.1.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jaka jest różnica między sterowaniem a regulacją?
2.  Jaka jest zasadnicza różnica między otwartym a zamkniętym układem sterowania?
3.  Z jakich elementów składa się układ sterowania?
4.  Jak tworzy się odchyłkę regulacji?
5.  Jakie mogą być zadania sterowania?
6.  Jakie układy regulacji nazywamy adaptacyjnymi?
7.  Jakie  zadanie  sterowania  realizuje  palnik  do  cięcia  blachy  wzdłuż  zadanej  linii,  a  jakie

pralka automatyczna?

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Ze względu na realizowane zadania sklasyfikuj poniższe układy regulacji:

−

radarowe układy lotnicze,

−

zmywarka do naczyń,

−

ARW (układ automatycznej regulacji wzmocnienia) w radioodbiorniku,

−

lodówka,

−

obrabiarka dorabiająca klucze.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zapoznać się materiałem teoretycznym o układach regulacji,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

2)  przeprowadzić analizę działania wymienionych urządzeń,
3)  określić zadanie sterowania realizowane przez poszczególne urządzenia,
4)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

zeszyt,

–

przybory do pisania,

–

literatura wskazana przez nauczyciela.

Ćwiczenie 2

Rozpatrz dwa przypadki:

−

statek po zderzeniu z górą lodową ma uszkodzoną burtę, przez którą wlewa się woda, co
powoduje zatapianie statku i jeszcze intensywniejsze wlewanie się wody;

−

kierowca „dodaje gazu”, samochód przyspiesza i po chwili osiąga nową stałą prędkość.

Czy występuje w obu tych przypadkach zjawisko sprzężenia zwrotnego? Jeśli tak, to jaki

znak mają te sprzężenia?

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z materiałem teoretycznym o układach regulacji,
2)  przeanalizować zachowanie się statku w chwili katastrofy,
3)  określić,  czy  występuje  zależność  pomiędzy  ilością  wlewającej  się  wody  a  szybkością

zatapiania statku, jeżeli tak, to jaka to jest zależność,

4) przeanalizować zachowanie się samochodu po „dodaniu gazu”,
5) określić czy występuje zależność pomiędzy „dodaniem gazu” a nową prędkością

samochodu,

6)  określić jaka różnica występuje pomiędzy tymi przypadkami,
7)  określić rodzaj sprzężenia zwrotnego,
8)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

zeszyt,

–

przybory do pisania,

–

literatura wskazana przez nauczyciela.

Ćwiczenie 3

Dla żelazka z termoregulatorem określ:

−

wielkość regulowaną, wartość zadaną, sygnał sterujący i sygnał zakłócający,

−

obiekt regulacji, urządzenie pomiarowe i urządzenie regulujące.

Określ zadanie sterowania realizowane przez żelazko. Jakie skutki pociągnie za sobą

zaspawanie styków wyłącznika bimetalowego?

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się materiałem teoretycznym dotyczącym układów regulacji,
2)  zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,
3)  zaobserwować sposób działania żelazka z termoregulatorem,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4) określić zadanie sterowania realizowane przez żelazko z termoregulatorem podczas

prasowania,

5) określić sygnały zadany, sterujący, zakłócający i regulowany,
6) podać, które elementy żelazka pełnią rolę obiektu regulacji, urządzenia pomiarowego

i urządzenia wykonawczego,

7) przeanalizować skutki zaspawania styków wyłącznika bimetalowego,
8) zaprezentować wykonane ćwiczenie.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

żelazko z termoregulatorem,

−

deska do prasowania (ew. kocyk),

−

szmatka do prasowania,

–

zeszyt,

–

przybory do pisania,

–

literatura wskazana przez nauczyciela.

4.1.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak Nie

1) rozpoznać i sklasyfikować układy regulacji występujące np. w Twoim

mieszkaniu?



2) określić zadanie sterowania realizowane przez ARW w radioodbiorniku?



3) narysować schemat blokowy układu regulacji?



4) wyjaśnić, dlaczego w układach regulacji występuje ujemne sprzężenie

zwrotne?



5) określić podstawowy cel układów regulacji?



6) wyjaśnić dlaczego żelazko z zaspawanymi stykami wyłącznika bimetalowego

nie jest już przykładem układu regulacji automatycznej?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2.

Elementy składowe układu automatycznej regulacji i ich
funkcje

4.2.1. Materiał nauczania

Układ automatyki powstaje z połączenia elementów i urządzeń w pewien zespół

wykonujący  określone  zadanie.  Elementami  w  automatyce  są  nazywane  człony  spełniające
w  układzie  bądź  urządzeniu  proste  funkcje,  takie  jak:  wzmocnienie  sygnału,  porównanie
sygnałów,  zmiana  postaci  sygnału.  Członem  więc  jest:  czujnik  pomiarowy,  element
porównujący, zawór, silnik, wzmacniacz, człon dynamiczny, itp. Urządzeniami w automatyce
są  nazywane  człony  spełniające  funkcje  bardziej  złożone.  Są  nimi  urządzenia  pomiarowe,
składające  się  z  czujników  i  przetworników  pomiarowych,  urządzenia  wykonawcze,
składające  się  z  elementów  nastawczych  i  napędowych,  urządzenia  kształtujące  sygnał
sterujący  oraz  urządzenia,  dzięki  którym  możliwe  jest  nadzorowanie  przebiegu  procesu
technologicznego.

Klasyfikacja elementów i urządzeń automatyki

Ze względu na rodzaj energii pomocniczej (zasilającej) elementy i urządzenia możemy

podzielić na:

−

pneumatyczne,

−

hydrauliczne,

−

i elektryczne/elektroniczne.
Ze względu na funkcje spełniane w układach automatyki możemy je podzielić na:

−

pomiarowe (czujniki, przetworniki, zespoły pomiarowe),

−

wykonawcze (np. zawory, zasuwy, silniki, siłowniki, elektromagnesy, pompy, regulatory
bezpośredniego działania),

−

tzw. części centralnej (regulatory, stacyjki manipulacyjne, rejestratory, bloki
matematyczne, urządzenia cyfrowe, np. sterowniki mikroprocesorowe).

Klasyfikując elementy i urządzenia według sposobu działania dzielimy je na analogowe

oraz cyfrowe.

Rys. 3. Schemat blokowy układu regulacji [7, s. 14]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Na schemacie blokowym (rys. 3) widać, że do zestawienia układu regulacji potrzebne jest

urządzenie pomiarowe, urządzenie wykonawcze oraz regulator.

Zadaniem urządzenia pomiarowego jest pomiar wielkości regulowanej. Sygnał

wyjściowy z tego urządzenia jest dla układu regulacji źródłem informacji o aktualnej wartości
wielkości  regulowanej.  W  urządzeniu  pomiarowym  możemy  wyróżnić  element  pomiarowy
oraz  przetwornik  pomiarowy.  Zadaniem  czujnika  jest  bezpośredni  pomiar  wielkości
regulowanej,  natomiast  przetwornik  przekształca  zmierzoną  wielkość  na  inną  postać,  którą
można podać na regulator.

Głównym urządzeniem układu regulacji jest regulator. Zadaniem regulatora jest

utrzymywanie  wartości  wielkości  regulowanej  maksymalnie  zbliżonej  do  wartości  zadanej,
zapewniającej  najkorzystniejszy  przebieg  procesu  technologicznego.  Często  w  skład
regulatora  wchodzi  zadajnik  wartości  zadanej.  Regulator  porównuje  obie  wartości:  zadaną
i rzeczywistą regulowaną. W wyniku tego porównania wytwarza się sygnał sterujący, którego
zadaniem  jest  takie  zadziałanie  na  obiekt,  aby  różnicę  pomiędzy  wartością  rzeczywistą
a wartością zadaną sprowadzić do zera.

Regulator oddziałuje na obiekt za pośrednictwem urządzenia wykonawczego,

składającego się, w tym przypadku, z elementu nastawczego (zaworu) sterującego wartością
sterującą i siłownika zapewniającego uzyskanie odpowiedniej siły do przestawienia elementu
nastawczego.

Zadaniem urządzeń wykonawczych w układzie regulacji jest takie oddziaływanie na

strumienie energii lub materiałów, aby został zrealizowany zamierzony przebieg procesu.
W odpowiedzi na sygnał wyjściowy z regulatora zmieniają one wartość wielkości
nastawiającej. W skład urządzeń wykonawczych wchodzą:

−

element nastawczy,

−

element napędowy,

−

wzmacniacz mocy.

To właśnie element nastawczy wpływa bezpośrednio na wejściowy strumień

materiałowo-energetyczny. Elementami nastawczymi w układach regulacji procesów
przemysłowych są: zawory, zasuwy, przepustnice, żaluzje, dozowniki, pompy o zmiennym
wydatku, dławiki, dzielnika napięcia, transformatory z odczepami, itp.

Elementy napędowe dostarczają energii mechanicznej, która jest niezbędna do

przestawienia elementu nastawczego według sygnału podanego z regulatora. Jako elementy
napędowe w układach regulacji są stosowane siłowniki, silniki, pompy, elektromagnesy,
zespoły napędowe, itp.

Rodzaje układów regulacji

Do najczęściej spotykanych układów regulacji należą jednoobwodowe układy stabilizacji

automatycznej  (regulacji  stałowartościowej  –  rys.  4  a),  w  których  wartość  zadana  w  trakcie
normalnej  pracy  układu  nie  ulega  zmianom.  Coraz  częściej  stosowane  są  też  układy
z pomiarem  zakłóceń  (rys.  4  c)  oraz  układ  regulacji  kaskadowej (rys.  4  b).  W  tym  ostatnim
układzie  są  dwa  regulatory:  regulator  główny  i  regulator  pomocniczy.  Zadaniem  regulatora
głównego jest utrzymanie na zadanym poziomie wielkość regulowaną. Regulator pomocniczy
natomiast ma utrzymywać taką wartość pewnej wielkości pomocniczej, jaka wynika z zadania
realizowanego  przez  regulator  główny.  Regulator  główny  wytwarza  wartość  zadaną  dla
regulatora  pomocniczego.  Układ  regulacji  kaskadowej  umożliwia  więc  eliminację  wpływu
zakłócenia  działającego  na  wejściu  obiektu,  nie  poprzez  bezpośredni  pomiar  zakłócenia  ale
poprzez pomiar  pomocniczej wielkości  wyjściowej, na zmiany której  największy wpływ  ma
to zakłócenie.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 4.

Schemat blokowy układu regulacji: a) jednoobwodowego, b) kaskadowego, c)
z pomiarem zakłóceń [7, s. 12]

4.2.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Co nazywamy elementami, a co urządzeniami w układach automatyki?
2.  Jak klasyfikujemy elementy i urządzenia automatyki?
3.  Jaką rolę pełni w układzie regulacji urządzenie pomiarowe?
4.  Jakie zadania pełni w układzie regulacji regulator?
5.  Jakie zadania pełni w układzie regulacji urządzenie wykonawcze?
6.  Jakie  jest  zadanie  regulatora  głównego,  a  jakie  regulatora  pomocniczego  w  układzie

regulacji kaskadowej?

7. Czym różni się czujnik od przetwornika pomiarowego?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wybierz, korzystając z katalogu czujniki, które można zastosować w układzie sterowania

bramą garażową. Sterowanie odbywa się za pośrednictwem pilota: brama może otworzyć się
do połowy lub na całą szerokość.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeanalizować opisaną sytuację,
2)  dobrać rodzaje czujników,
3)  zaproponować ilość i miejsce instalacji czujników,
4)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

katalogi elementów automatyki,

–

zeszyt,

–

przybory do pisania,

–

literatura wskazana przez nauczyciela.

Ćwiczenie 2

Podaj trzy przykłady układów regulacji stosowanych w znanych Ci urządzeniach

elektrycznych i elektronicznych. Określ, jaki rodzaj regulacji automatycznej został wykorzystany.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować treść zadania,
2) zapoznać się z przygotowaną dokumentacją techniczną wybranych urządzeń

elektrycznych i elektronicznych,

3) narysować

blokowe

schematy

poglądowe

układów

regulacji

zastosowanych

w analizowanych urządzeniach,

4)  wyodrębnić elementy układów regulacji,
5)  określić rodzaj regulacji,
6)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

dokumentacja techniczna wybranych urządzeń elektrycznych i elektronicznych,

–

zeszyt,

–

przybory do pisania,

–

literatura wskazana przez nauczyciela.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 3

Rozpoznaj termometry. Zaklasyfikuj do odpowiedniej grupy ze względu na sposób

pomiaru temperatury, podaj ich producenta, dane techniczne oraz rodzaj sygnału
wyjściowego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przygotować stanowisko do pracy,
2)  rozpoznać przyrządy do pomiaru temperatury,
3)  znaleźć karty katalogowe termometrów lub odpowiednie normy,
4)  określić sposób pomiaru temperatury: stykowy czy bezstykowy,
5)  określić zasadę działania czujnika,
6)  określić ich właściwości pomiarowe: zakres, działka elementarna, klasa dokładności,
7)  określić rodzaj sygnału wyjściowego z czujnika,
8)  określić zakres zastosowania czujnika,
9)  zaprezentować wykonane ćwiczenie,

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

termometry: szklane cieczowe, bimetalowy, manometryczny, czujniki rezystancyjne,
termoelementy, termistory, pirometr,

–

karty katalogowe,

–

normy,

–

kartki papieru,

–

przybory do pisania,

–

literatura wskazana przez nauczyciela.

4.2.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

narysować schemat blokowy układu regulacji kaskadowej?



określić rodzaj regulacji wykorzystywany w urządzeniu?



określić człony składowe urządzenia sterującego?



narysować blokowy schemat układu regulacji na podstawie
dokumentacji technicznej urządzenia?



dobrać czujniki do realizacji określonego zadania sterowania?



korzystać z katalogów elementów automatyki?



określić, który element układu regulacji jest regulatorem, a który
obiektem?



dobrać na podstawie kart katalogowych rodzaj termometru do pracy
w określonym układzie?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3. Czujniki i przetworniki pomiarowe – budowa i zasada

działania

4.3.1. Materiał nauczania

Urządzenia pomiarowe w układach automatyki powinny charakteryzować szczególną

niezawodnością oraz dokładnością działania. Wynika to z faktu, że w układach regulacji
urządzenia pomiarowe nie są objęte sprzężeniem zwrotnym i ich błędy nie są eliminowane
przez działanie sprzężenia zwrotnego ale w całości przenoszą się na dokładność regulacji.

Zadaniem urządzeń i układów pomiarowych w układach sterowania jest:

−

dostarczanie informacji o bieżącej wartości kontrolowanych parametrów,

−

rejestrowanie wyników pomiarów,

−

wytwarzanie sygnału dla regulatora,

−

opracowanie wyników pomiarów,

−

sygnalizowanie nadmiernych odchyłek od pożądanej wartości określonych wielkości.

Czujnik jest to element układu pomiarowego, na który bezpośrednio oddziałuje wielkość

mierzona.  Sygnał  wyjściowy  czujnika  jest  funkcją  zmian  mierzonej  wielkości  fizycznej.
Przetwornik  przekształca  sygnał  wyjściowy czujnika  na  standardowy  sygnał  elektryczny  lub
pneumatyczny,  aby  umożliwić  łączenie  układów  pomiarowych  z  innymi  urządzeniami
wchodzącymi w skład układów regulacji.

Rys. 5.

Budowa układu pomiarowego, gdy wielkość wyjściowa czujnika: a) nadaje
się do bezpośredniego wykorzystania: b) nie nadaje się do bezpośredniego
wykorzystania i wymaga przetworzenia [8, s. 195]

Dla aparatury produkowanej w Polsce przyjęto następujące sygnały standardowe:

−

elektryczny 0–5 mA, 0–20 mA lub 4–20 mA,

−

pneumatyczny 20–100 kP.

Porównując czujniki należy uwzględniać następujące cechy:

−

zakres, czyli dopuszczalny przedział zmian sygnału wyjściowego ze względu na budowę
i zasadę działania czujnika,

−

jednoznaczność

charakterystyki

przetwarzania,

czyli

nieliniowość

(największe

odchylenie od teoretycznej

linii prostej) oraz niejednoznaczność (histereza

charakterystyki statycznej) muszą mieścić się w dopuszczalnych granicach,

−

czułość, która ma istotny wpływ na dokładne przetwarzanie i przesyłanie informacji,

−

odporność na zakłócenia,

−

stałość charakterystyki w czasie,

−

mała bezwładność, szczególnie istotna przy pomiarach szybkozmiennych,

−

duża niezawodność,

−

niska cena.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Przetworniki pomiarowe podlegają takim samym wymaganiom jak inne elementy

urządzeń  pomiarowych,  szczególnie  jeśli  chodzi  o  klasę  dokładności.  Są  budowane  jako
układy  bez  sprzężenia  zwrotnego  lub  jako  autokompensacyjne  układy  ze  sprzężeniem
zwrotnym. Klasa dokładności przetwornika autokompensacyjnego jest zdecydowanie wyższa
i  dlatego  dąży  się  do  obejmowania  nim  jak  największej  części  urządzenia  pomiarowego.
Ważnymi  elementami  urządzeń  pomiarowych  są  autokompensacyjne  przetworniki:
elektropneumatyczny (rys. 6) i pneumatyczno – elektryczny (rys. 7). Przetworniki te działają
na  zasadzie  równoważenia  sił.  W  pierwszym  przypadku  elementem  kompensującym  jest
mieszek, w drugim – elektromagnes.

Rys. 6.

Schemat budowy przetwornika elektropneumatycznego: 1 – cewka, 2 – dźwignia,
3 – zespół dysza–przysłona, 4 – wzmacniacz pneumatyczny, 5 – mieszek [7, s. 45]

Rys. 7.

Schemat budowy przetwornika pneumatyczno–elektrycznego: 1 – mieszek, 2 – dźwignia,
3 – czujnik indukcyjnościowy przesunięcia, 4 – wzmacniacz, 5 – elektromagnes [7, s. 46]

Elektroniczne przyrządy pomiarowe

Przyrządy pomiarowe zawierające elektroniczne elementy wzmacniające nazywamy

elektronicznymi (rys. 8). W porównaniu z przyrządami elektrycznymi posiadają większą
czułość oraz większe pasmo mierzonych częstotliwości. Dzielimy je na:

−

elektroniczne przyrządy pomiarowe analogowe, w których wynik pomiaru możemy
odczytywać na tarczy podziałkowej przyrządu ze wskazówką albo na ekranie lampy
oscyloskopowej,

−

elektroniczne przyrządy pomiarowe cyfrowe, w których wynik pomiaru wyświetlany jest
w postaci liczby na wyświetlaczu cyfrowym lub graficznym albo na ekranie oscyloskopu
cyfrowego, ekranie monitora sterowanego przez komputer przyrządu.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 8.

Schemat

funkcjonalny

elektronicznego

analogowego

przyrządu

pomiarowego:

f – parametr mierzony w postaci ukrytej, np. temperatura, f

– parametr mierzony

przetworzony przez czujnik pomiarowy na postać jawną, u

, u

– napięcia odpowiadające

[8, s. 8]

Elektroniczne przyrządy pomiarowe analogowe są obecnie wypierane przez ich cyfrowe

odpowiedniki.  Analogowe  przyrządy  pomiarowe  w porównaniu  z cyfrowymi,  mają  prostszą
budowę  oraz  są  tanie.  Elementem  końcowym  analogowych  elektronicznych  przyrządów
pomiarowych jest: elektryczny miernik wychyłowy, linijka diodowa lub lampa oscyloskopowa.
Wskaźniki  analogowych  przyrządów  są  wyskalowane  w  wartościach  mierzonego  parametru.
Czujnik  pomiarowy  jest  elementem  oddzielnym  nie  wchodzącym  w  skład  przyrządu
pomiarowego, np. czujnik temperatury wmontowany w obiekt mierzony.

Pomiar temperatury za pomocą termometru elektronicznego

Termometr elektroniczny składa się z czujnika temperatury (np. termopary, termorezystora,

termistora), przetwornika pomiarowego i wskaźnika. W zależności od zakresu mierzonej
temperatury stosuje się odpowiednie czujniki, które z kolei decydują o rodzaju układu
pomiarowego.

W czujnikach oporowych (rezystancyjnych) zasada ich działania wykorzystuje zależności

rezystancji niektórych metali i półprzewodników od temperatury.

W czujnikach oporowych metalicznych (rys. 9) stosuje się najczęściej platynę, nikiel oraz

miedź. Metale te charakteryzują się stałością charakterystyki rezystancji w funkcji
temperatury, dużym współczynnikiem temperaturowym oraz odpornością na wpływ
czynników zewnętrznych.

Czujniki termistorowe (rys. 9) są wykonane z tlenków metali (żelaza, manganu, litu

i tytanu) w postaci niewielkich elementów (płytek, prętów i kulek) z metalowymi
wyprowadzeniami.

Charakteryzują

się

one

dużym

ujemnym

współczynnikiem

temperaturowym, a ich charakterystyka temperaturowa rezystancji jest nieliniowa. Największą
ich zaletą jest duża czułość.

Rys. 9.

Budowa termometru: a) rezystancyjnego metalicznego; b) termistorów masywnych
niehermetyzowanych; c) termistorów perełkowych zatapianych w szkle; 1 – listwa
izolacyjna, 2 – drut oporowy, 3 – przewody wyprowadzające, 4 – przekładki mikowe,
5 – taśma metalowa, 6 – osłona ceramiczna [7, s. 115 i 116]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Zasadę działania termometrów elektronicznych z czujnikami rezystancyjnymi

przedstawia rys. 10. Przetwornik pomiarowy przetwarza zmiany rezystancji czujnika,
zasilanego stabilizowanym prądem I, w zmiany napięcia u

. Napięcie czujnika u

= I ∙ R

Rys. 10. Termometr elektroniczny termorezystancyjny [8, s. 18]

W czujnikach termoelektrycznych (termoparach) wykorzystuje się zjawisko powstawania

siły termoelektrycznej wywołane zmianą temperatury. Termoelementy (termopary) wykonuje
się przez spawanie lub lutowanie na jednym końcu dwóch przewodów A i B z różnych metali.
W obwodzie zamkniętym z termoelementem, w którym połączone końce mają różną
temperaturę powstaje siła termoelektryczna

W nazwach termoelementów na pierwszym miejscu podawana jest elektroda dodatnia.

Najczęściej stosowane termoelementy to: platynorod – platyna (PtRh–Pt); nikielchrom – nikiel
(NiCr–Ni); żelazo – konstantan (Fe–konstantan); miedź – konstantan (Cu–konstantan).

Konstrukcja termoelementów zależy od ich przeznaczenia, np. typu przemysłowego

charakteryzuje się dużą bezwładnością cieplną, a typu specjalnego do pomiarów
powierzchniowych – bardzo małą bezwładnością cieplną (rys. 11).

Rys. 11. Schemat budowy czujnika z termoelementem: a) o dużej bezwładności cieplnej;

b) o małej bezwładności cieplnej; 1 – spoina pomiarowa, 2 – osłona ceramiczna,
3 – rurka z metalu A, 4 – tuleja pomiarowa, 5 – głowica, 6 – pręt z metalu B,
7 – izolacja [7s. 118]

Przy pomiarach temperatury z użyciem czujników termoelektrycznych występuje

problem tzw. kompensacji temperatury zimnych końców termopary. W celu wyeliminowania
tych niedokładności stosuje się:

−

odsunięcie złącza odniesienia od miejsca pomiaru – stosuje się wówczas tzw. przewody
kompensacyjne,

−

stabilizację temperatury złącza odniesienia (termostatowanie),

−

kompensację zmian temperatury odniesienia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Zasadę działania elektronicznego termometry z termoparą, w którym kompensację

temperatury zimnych końców termopary uzyskuje się przez włączenie termopary odniesienia
TP

przedstawia rys. 12. Siła elektromotoryczna termopary odniesienia TP

kompensuje siłę

termoelektryczną zimnych końców termopary pomiarowej TP w zmieniającej się
temperaturze otoczenia υ

Rys. 12. Termometr elektroniczny termoelektryczny:

υ i

– temperatura mierzona i termopara

pomiarowa,

i TP

– temperatura końców termopary pomiarowej i termopara

odniesienia, 1 i 2 – metale tworzące termoparę, Cu – miedź, W – wzmacniacz operacyjny,
mV – miliwoltomierz [8, s. 18]

Zastosowany w termometrze wzmacniacz pomiarowy składa się ze wzmacniacz

operacyjnego i 5 rezystorów. Potencjometr R

służy do zmiany wzmocnienia wzmacniacza

pomiarowego.

Cyfrowe mierniki temperatury otrzymamy przez zastąpienie w przedstawionych układach

miliwoltomierzy analogowych miliwoltomierzami cyfrowymi.

Ciśnieniomierze elektryczne

Przetwarzanie ciśnienia na sygnał elektryczny można uzyskać wykorzystując odkształcenia

sprężystych elementów lub wykorzystując zjawiska, które związane są z powstawaniem naprężeń
w materiałach (piezoelektrycznych, ferromagnetycznych i rezystancyjnych). Wyniki pomiarów
ciśnienia za pomocą ciśnieniomierzy elektrycznych mogą być przesyłane na odległość.

Odkształcenia elementów sprężystych są mierzone za pomocą czujników przesunięcia,

najczęściej indukcyjnymi (rys.13), pojemnościowymi (rys.14) lub potencjometrycznymi (rys.15).

Rys. 13.

Manometr z rurką Bourdona i czujnikiem indukcyjnościowym do pomiaru odkształcenia
końca rurki (1 – rurka Bourdona, 2 – czujnik, 3 – zerowanie, 4 – regulacja naprężęnia
początkowego [7, s. 90]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 14. Schemat budowy przetwornika różnicy ciśnień z membraną pomiarową działającą

jako kondensator produkcji MERA PNEFAL na licencji firmy ROSEMOUNT
[7, s 96]

W przetworniku (rys. 14) wykorzystano membranę jako czujnik różnicy ciśnień

i pojemnościowy  sposób  pomiaru  jej  odkształceń. Mierzone  ciśnienia działają  na  membrany
separujące,  za  którymi  znajduje  się  olej  silikonowy.  Olej  silikonowy  przenosi  ciśnienie  na
sprężystą  membranę pomiarową stanowiącą jedną z okładek kondensatora różnicowego. Pod
wpływem  różnicy  ciśnień  działających  na  membranę  następuje  proporcjonalne  do  różnicy
ciśnień  ugięcie  membrany  i  zmiana  pojemności  między  nią  a  zewnętrznymi  okładkami
kondensatora.

Rys. 15. Schemat budowy czujnika ciśnienia oleju FCCO 5 produkcji MERA PAFAL:

1 – membrana, 2 – popychacz, 3 – dźwignia, 4 – potencjometr, 5 – wskaźnik wyskalowany
w jednostkach ciśnienia [5, s. 29]

W praktyce przemysłowej najczęściej stosowane są przetworniki tensometryczne. W celu

wykonania  dokładnych  pomiarów  ciśnienia  układ  tensometryczny  wymaga  kompensacji
temperatury.  Stosuje  się  wtedy  4  tensometry  połączone  w  układ  mostka  czteroramiennego.
Dwa  z  nich  są  ściskane,  a  pozostałe  dwa  tensometry  –  rozciągane.  Ponieważ  tensometry
znajdują  się  w  tej  samej  temperaturze  to  wpływ  temperatury  na  wynik  pomiaru  jest  bardzo
mały.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jakie zadania spełniają przyrządy pomiarowe w układach sterowania?
2.  Jakie wymagania powinny spełniać urządzenia pomiarowe układach regulacji?
3.  Czym różni się czujnik od przetwornika pomiarowego?
4.  Jakie sygnały standardowe przyjęto w Polsce dla produkowanej aparatury?
5.  Jaka jest zasada działania przetwornika elektropneumatycznego autokompensacyjnego?
6.  Które przyrządy pomiarowe nazywamy elektronicznymi?
7.  Jaka jest zasada działania elektronicznego termometru rezystancyjnego
8.  Jakie materiały stosuje się na termometry rezystancyjne i dlaczego?
9.  Co to są termistory?
10.  Jakie zjawisko wykorzystano w termometrach termoelektrycznych?
11.  Jakie zjawiska wykorzystywane są w manometrach elektrycznych?
12.  Jakie  czujniki  są  wykorzystywane  na  przekształcenie  przesunięcia  elementów

sprężystych w przetwornikach ciśnienia na sygnał elektryczny?

13.  Jak działa czujnik ciśnienia oleju z potencjometrycznym czujnikiem przesunięcia?
14.  Dlaczego często stosuje się do pomiarów ciśnienia mostki tensometryczne?
15.  Które  z  poznanych  ciśnieniomierzy  umożliwiają  przesył  wyników  pomiarów  na

odległość?

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Dobierz czujnik temperatury do pomiaru temperatury gazów i cieczy w rurociągach

i zbiornikach ciśnieniowych, dla P= 10–1000 Mpa i t = –20–400ºC. Wymagania dodatkowe:
wymienny wkład, linia 2, 3 lub 4 przewodowa.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z materiałem teoretycznym o pomiarach temperatury,
2)  zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,
3)  skorzystać z dostępnych kart katalogowych i norm,
4)  skorzystać z zasobów sieci Internet,
5)  określić typ czujnika i jego producenta (producentów),
6)  podać podstawowe dane techniczne,
7)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

karty katalogowe różnych czujników temperatury,

−

komputer osobisty klasy PC z dostępem do sieci Internet,

−

materiały i przybory do pisania,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

Ćwiczenie 2

Zmontuj i uruchom elektroniczny termometr z czujnikiem rezystancyjnym i termoparą.

Wyjaśnij funkcje poszczególnych elementów i bloków termometru. Podaj parametry
elementów stosowanych w układzie termometru.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z materiałem teoretycznym o pomiarach temperatury,
2)  zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,
3)  skorzystać z dostępnych kart katalogowych i instrukcji,
4)  zapoznać z przyrządem pomiarowym i czujnikami,
5)  zmontować układ do pomiaru temperatury,
6)  zmontować i uruchomić elektroniczny termometr,
7)  dokonać pomiarów temperatury wody w naczyniu z grzałką,
8)  przeanalizować działanie poszczególnych układów pomiarowych,
9)  przeanalizować działanie analizatora spalin pod kątem skrócenia jego czasu opóźnienia,
10)  zaprezentować wykonane ćwiczenie,
11)  dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

elektroniczny miernik temperatury,

–

czujniki rezystancyjne, czujniki termoelektryczne,

–

przewody linii pomiarowej,

–

naczynie z lodem,

–

naczynie z wodą,

–

termometr do porównywania wyników,

–

grzałka o małej mocy,

–

instrukcja obsługi miernika, karty katalogowe czujników,

–

materiały i przybory do pisania,

–

literatura wskazana przez nauczyciela.

4.3.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak Nie

1) dobrać czujnik temperatury ?



2) odczytać z katalogów podstawowe dane czujników?



3) narysować schemat blokowy przetwornika autokompensacyjnego?



4) zmontować elektroniczny termometr z czujnikiem?



5) uruchomić elektroniczny termometr?



6) zmontować układ do pomiaru temperatury?



7) narysować układ tzw. mostka tensometrycznego do pomiaru ciśnienia?



8) korzystać z zasobów sieci Internet w zdobywaniu informacji?



9) podać podstawowe zalety elektronicznych przyrządów pomiarowych

w stosunku do przyrządów pomiarowych elektrycznych?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4. Regulatory – budowa i zasada działania

4.4.1. Materiał nauczania

Regulator to urządzenie, którego zadaniem w układzie regulacji jest wyznaczenie uchybu

regulacji  (ε)  oraz  ukształtowanie  sygnału  wyjściowego  (u)  o  wartości  zależnej  od  wartości
uchybu  regulacji,  czasu  występowania  uchybu  i  szybkości  jego  zmian,  a  także  zapewnienie
sygnałowi  wyjściowemu  postaci  i  mocy  potrzebnej  do  uruchomienia  urządzeń
wykonawczych (rys. 16).

Rys. 16. Schemat zamkniętego układu regulacji [7, s. 38]

Regulator spełnia w układzie jeszcze inne funkcje, jeżeli w swojej strukturze zawiera

dodatkowe urządzenia:

−

nastawnik wartości zadanej (zadajnik),

−

przełącznik rodzaju pracy regulatora,

−

nastawnik sterowania ręcznego,

−

mierniki mierzące wartość wielkości istotnych dla procesu regulacji (wartości zadanej,
wartości uchybu, wartości sygnału wyjściowego regulatora).
Ustawienie przełącznika rodzaju pracy w pozycji R (sterowanie ręczne) umożliwia

oddziaływanie  na  obiekt  regulacji  z  nastawnika  sterowania  ręcznego  (regulator  zostaje
odłączony od układu, a sam układ  stał się otwartym układem  sterowania). Przy przełączeniu
przełącznika rodzaju pracy w pozycję A (sterowanie automatyczne), sterowanie odbywa się w
układzie  zamkniętym.  Często  regulatory  są  wykonywane  w  postaci  dwóch  konstrukcyjnie
rozdzielonych  urządzeń:  regulatora  i  stacyjki  manipulacyjnej,  w  której  umieszczone  są:
zadajnik, przełącznik rodzaju pracy, nastawnik sterowania ręcznego oraz mierniki.

Regulatory, ze względu na dostarczaną energię, możemy podzielić na:

−

regulatory bezpośredniego działania – nie korzystają z energii pomocniczej,

−

regulatory pośredniego działania – korzystają ze źródła energii pomocniczej:

−

pneumatyczne,

−

hydrauliczne,

−

elektryczne.
Regulatory możemy podzielić także ze względu na rodzaj sygnału wyjściowego na:

−

analogowe, gdzie sygnał wyjściowy ma postać ciągłą – regulatory typu P, I, PI, PD, PID,

−

dyskretne, gdzie sygnał wyjściowy ma postać nieciągłą – regulatory dwustawne,

trójstawne, krokowe, impulsowe, cyfrowe.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ze względu na przeznaczenie regulatory mogą być:

−

uniwersalne,

−

specjalizowane (przeznaczone do regulacji jednej wielkości).

Regulatory analogowe – właściwości dynamiczne, charakterystyki

Ze względu na rodzaj stosowanych członów formujących sygnał sterujący wyróżniamy

następujące typy regulatorów:

−

regulator typu P, realizujący działanie proporcjonalne,

−

regulator typu I, realizujący działanie całkujące,

−

regulator typu PI, realizujący działanie proporcjonalno-całkujące,

−

regulator typu PD, realizujący działanie proporcjonalno-różniczkujące,

−

regulator typu PID, realizujący działanie proporcjonalno-całkująco-różniczkujące.

Regulator proporcjonalny P charakteryzuje się tym, że wartość sygnału wyjściowego

regulatora jest proporcjonalna do wartości uchybu regulacji. Parametrem nastawialnym
regulatora jest

wzmocnienie k

, Zamiast wzmocnienia k

często używa się jego odwrotność x

100%, zwaną zakresem proporcjonalności i wyrażoną w procentach. Zakres

proporcjonalności jest to przyrost sygnału wejściowego niezbędny do uzyskania pełnego
zakresu zmian sygnału wyjściowego.

Regulator całkujący I charakteryzuje się tym, że prędkość zmian sygnału wyjściowego

jest proporcjonalna do wartości uchybu regulacji. Parametrem charakterystycznym regulatora
całkującego jest czas całkowania T

określony jako czas po którym sygnał wyjściowy po

skokowej zmianie uchybu regulacji osiągnie wartość równą wartości skoku.

Regulator proporcjonalno–całkujący PI charakteryzuje się tym, że sygnał wyjściowy jest

sumą działania proporcjonalnego i całkującego. Regulator ma dwa parametry nastawialne:
wzmocnienie k

czas całkowania T

Parametr T

określa „intensywność” działania całkującego i często jest nazywany czasem

zdwojenia. Jest on równy czasowi, po jakim odpowiedź członu całkującego na skokową
zmianę sygnału ε od wartości zerowej staje się równa sygnałowi ε, a tym samym sygnał
wyjściowy regulatora PI lub PID osiąga podwójną wartość działania proporcjonalnego.

Regulator proporcjonalno–różniczkujący PD powstaje przez dodanie do działania

proporcjonalnego działania różniczkującego. Działanie różniczkujące regulatora polega na
tym, że wartość sygnału wyjściowego jest proporcjonalna do prędkości zmian uchybu
regulacji. Parametrem charakterystycznym regulatora jest czas różniczkowania T

Parametr T

określający proporcję, z jaką uwzględnia się działanie różniczkujące

w regulatorze nazywany jest czasem wyprzedzania. Jest on równy czasowi, po jakim liniowo
narastający sygnał ε(t) = at będzie równy sygnałowi wyjściowemu członu różniczkującego T

Odpowiedzi regulatorów na wymuszenie skokowe w postaci analitycznej i graficznej
przedstawia tabela 1.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tabela 1. Odpowiedzi podstawowych typów regulatorów na wymuszenie skokowe [13, s. 47]

Działanie układów regulacji z przedstawionymi w tabeli 1 regulatorami zależy od doboru

parametrów (nastaw) tych regulatorów.

W produkowanych regulatorach uniwersalnych stosowane są najczęściej następujące

zakresy zmian poszczególnych parametrów:

−

zakres proporcjonalności x

w granicach 3–400%

−

czas zdwojenia T

w granicach 3 s

–

30 min,

−

czas wyprzedzania T

w granicach 0

–

15 min.

−

Regulatory cyfrowe

W budowie współczesnych układów regulacji wykorzystywane są powszechnie

komputery i mikoroprocesory. W związku z tym pojawiła się nowa klasa regulatorów:
regulatory cyfrowe. Początkowo były one realizowane jako podprogramy w dużych

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

komputerach  sterujących  procesami,  obecnie  budowane  są  również  jako  wyodrębnione
aparaty  tablicowe  (rys.  17)  i  klasyczne  regulatory  z  wyjściem  analogowym.  Regulatory
realizowane  są  również  jako  programy  w  sterownikach  komputerowych  oraz  sterownikach
programowalnych.

Rys. 17. Dwukanałowy regulator cyfrowy temperatury: a) widok perspektywiczny, b) płytka

czołowa; 1 – wyświetlacz temperatury regulowanej, 2 – lampki sygnalizacyjne, że sygnały
wyjściowe  są  niezerowe  3  –  przycisk  do  wybrania  trybu  działania  na  obiekt
(A  – automatyczny,  M  –  ręczny),  4  –  przycisk  zmiany  MENU  regulatora  (zmiana
regulatora),  5 –  przyciski  do  zmiany  wartości  zadanych  i  nastaw  regulatora,
6 – wyświetlacz wartości zadanej i nastaw aktualnie wybranych przyciskiem 4 [8, s. 188]

Zmieniające się w sposób ciągły wartości wielkości procesowej w celu przetworzenia

w regulatorze cyfrowym, muszą być przedstawione w postaci cyfrowej, również wartość
sterująca w systemie cyfrowym nie może być obliczana w sposób ciągły. Są one obliczane co
pewien czas, zwany czasem kwantowania (albo próbkowania) T

, w chwilach próbkowania

= k T

., na podstawie wartości uchybu regulacji w chwili bieżącej i ewentualnie

w chwilach poprzedzających.

Regulatory dwustawne

Regulacja dwustawna (dwupołożeniowa) jest najpopularniejszym sposobem regulacji,

szczególnie  w  urządzeniach  domowych  ale  również  w  urządzeniach  przemysłowych.  Istotą
tej regulacji jest, że na wyjściu regulatora otrzymujemy sygnał sterujący, który może przyjąć
tylko  dwa  stany,  umownie  nazywane  stanami  0  i  1.  Stany  te  odpowiadają  za  załączenie  lub
wyłączenie dopływu energii (załączenie lub wyłączenie wyłącznika) lub materiału do obiektu
(zamykanie  lub  otwieranie  zaworu).  Regulację dwustawną  stosuje się do regulacji  obiektów
charakteryzujących  się  dużymi  bezwładnościami.  Do  obiektów  takich  należą  np.:  obiekty
cieplne  (ogrzewane  jak  i  chłodzone),  zbiorniki,  i  in.  Parametrami  procesów  utrzymywanych
za  pomocą  regulacji  dwustawnej  to  m.in.:  temperatura,  ciśnienie,  poziom,  napięcie
elektryczne.

Typowym przykładem regulacji dwustawnej jest proces zmiany temperatury obiektu

cieplnego (rys. 18). Obiekt ten możemy opisać za pomocą prostego modelu liniowego, inercji
pierwszego rzędu z opóźnieniem o parametrach:

−

– wzmocnienie statyczne,

−

– czas opóźnienia,

−

T – stała czasowa inercji (zastępcza).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 18. Układ regulacji dwustawnej temperatury: a) schemat, b) przebiegi sygnałów [4, s. 205]

Zmniejszenie amplitudy oscylacji można uzyskać albo przez częstszą zmianę sygnały

sterującego  albo  przez  zastosowanie  tzw.  korekcyjnego  sprzężenia  zwrotnego.  W  tym  celu,
wokół  regulatora  wprowadza  się  ujemne,  dynamiczne  sprzężenie  zwrotne.  Są  to  najczęściej
podgrzewanerezystory  lub  termoelementy  o  odpowiednich  stałych  czasowych.  Element
korekcyjny ma charakter inercyjny o wzmocnieniu K

i stałej czasowej T

(rys. 19).

Rys. 19. Układ regulatora dwustanowego z korekcyjnym sprzężeniem zwrotnym [7, s.94]

Sygnał wyjściowy elementu dynamicznego korekcyjnego nadąża szybciej za sygnałem

wyjściowym przekaźnika niż sygnał wyjściowy obiektu, który reaguje z opóźnieniem. Dzięki
ujemnemu  sprzężeniu  zwrotnemu  od  układu  korekcyjnego  do  wejścia  przekaźnika,
w  układzie  wystąpią  oscylacje  o  okresie  zależnym  głównie  od  parametrów  przekaźnika
i  członu korekcyjnego, a w niewielkim  stopniu od parametrów obiektu. Wartości  K

i T

są

znacznie mniejsze od wartości odpowiednich parametrów obiektu – wzmocnienia K

i stałej

czasowej T

. Sprzężenie zwrotne korekcyjne o małej stałej czasowej wywołuje wzrost

częstotliwości oscylacji. Natomiast duża bezwładność obiektu powoduje, że amplituda
sygnału wyjściowego y, wywołana tymi szybkimi zmianami sygnału wejściowego u, nie
będzie duża.

Regulator dwustanowy z korekcyjnym sprzężeniem zwrotnym zmniejsza znacznie

amplitudę oscylacji w porównaniu z regulatorem bez korekcji.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Regulatory trójstawne

Regulatory trójstawne (trójpołożeniowe) charakteryzują się tym, że ich sygnał wyjściowy

może przyjmować jedną z trzech wartości, oznaczonych jako –1, 0 i 1. Wartości te mogą
odpowiadać np. sterowaniu napędu elektrycznego – ruch w lewo, hamowanie, ruch w prawo;
oraz działaniu – grzanie, stygnięcie, chłodzenie lub – grzanie z mocą znamionową, grzanie
z mocą mniejszą niż znamionowa, stygnięcie.

Funkcję regulatora trójstawnego pełni przekaźnik trójpołożeniowy (rys. 20 a). Często

w rozwiązaniach praktycznych zamiast elementu trójstawnego stosowane są dwa elementy
dwustanowe (po zsumowaniu ich charakterystyk otrzymuje się charakterystykę elementu
trójstawnego – rys.20 b).

Rys. 20.

Schemat blokowy regulatora trójstawnego: a) z elementem
trójstawnym, b) z dwoma elementami dwustanowymi [7, s. 235]

Regulatory krokowe

Regulatory trójstawne, podobnie jak wcześniej omówione regulatory dwustawne, mogą

być wyposażone w układy korekcyjne. Regulatorem krokowym nazywamy układ złożony
z regulatora trójstawnego objętego korekcyjnym ujemnym inercyjnym sprzężeniem zwrotnym
oraz z silnika.

4.4.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jak klasyfikujemy regulatory?
2.  Czym charakteryzują się regulatory P, PI i PD?
3.  Jakie parametry nastawialne ma regulator PID?
4.  Na czym polega kwantowanie w chwilach próbkowania sygnałów ciągłych w regulatorze

cyfrowym?

5. Jakie wartości są wyświetlane na wyświetlaczach płyty czołowej cyfrowego regulatora

temperatury?

6. Na czym polega istota regulacji dwustawnej?
7. W jaki sposób można uzyskać zmniejszenie amplitudy oscylacji sygnału regulowanego

w regulacji dwustawnej?

8. Czym charakteryzuje się regulator trójstawny i gdzie znalazł zastosowanie?
9. Jakie zakresy zmian parametrów nastaw stosuje się w regulatorach uniwersalnych?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4.3 Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Na podstawie rysunku zinterpretuj wpływ własności dynamicznych regulatorów na

tłumienie zakłóceń i własności dynamiczne układu regulacji. Podaj jaki obiekt podlega
procesowi regulacji?

Rysunek 1 do ćwiczenia 1. Schemat blokowy układu regulacji [8, s. 81]

Odpowiedź na skok zakłócenia z Odpowiedź na skok wartości zadanej y

Rysunek 2 do ćwiczenia 1. Wpływ członów dynamicznych regulatora na tłumienie

zakłóceń  i  właściwości  dynamiczne  układu  regulacji:
a)  odpowiedź  skokowa  obiektu;  b),  c)  odpowiedzi  skokowe
układu  z  regulatorem  typu  P;  d),  e)  odpowiedzi  skokowe
układu  z  regulatorem  typu  PD;  f),  g)  odpowiedzi  skokowe
układu  z  regulatorem  typu  PI;  h),  i)  odpowiedzi  skokowe
układu z regulatorem typu PID [8, s. 81]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z materiałem teoretycznym o regulatorach P, PD,PI i PID,
2)  rozpoznać na podstawie odpowiedzi skokowej obiekt regulacji (model dynamiczny),
3)  zinterpretować  wpływ  poszczególnych  regulatorów  (ich  członów)  na  tłumienie

zakłócenia na wejściu obiektu,

4) zinterpretować wpływ poszczególnych regulatorów (ich członów) na właściwości

dynamiczne układu regulacji,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5) wyciągnąć wnioski z powyższej analizy,
6) zaprezentować wykonane ćwiczenie,

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

zeszyt,

−

przybory do pisania,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

Ćwiczenie 2

Na rysunku przedstawiono przebieg uchybu regulacji U

. Narysuj przebieg sygnału

sterującego U

regulatora PI. Wartości nastaw regulatora wynoszą: K

= 2, T

= 1s.

Rysunek do ćwiczenia 2

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z materiałem teoretycznym o regulatorze PI i jego nastawach,
2)  narysować przebieg sygnału sterującego,
3)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

zeszyt,

−

przybory do pisania i rysowania,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

Ćwiczenie 3

Rysunek przedstawia przebieg czasowy poziomu cieczy w zbiorniku w układzie regulacji

z regulatorem dwustawnym. Wiedząc, że proces regulacji rozpoczął się w chwili t

, oblicz

częstotliwość przełączania regulatora w stanie ustalonym.

Rysunek do ćwiczenia 3

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się materiałem teoretycznym o regulacji dwustawnej,
2)  przerysować podany rysunek na kartkę papieru milimetrowego,
3)  odczytać z rysunku czas opóźnienia obiektu regulacji,
4)  określić górną i dolną wartość przełączania regulatora,
5)  obliczyć szerokość pętli histerezy,
6)  określić czas włączenia i wyłączenia regulatora,
7)  obliczyć częstotliwość przełączania regulatora,
8)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

zeszyt,

–

kartki papieru milimetrowego,

–

przybory do pisania i rysowania,

–

literatura wskazana przez nauczyciela.

Ćwiczenie 4

Dokonaj badania przemysłowego regulatora dwustawnego. Sporządź charakterystyki

i dokumentacje regulatora.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się materiałem teoretycznym dotyczącym regulatorów dwustawnych,
2)  zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,
3)  zapoznać  się  ze  strukturą  regulatora,  rodzajem  i  zakresem  nastaw  oraz  możliwością

wyłączenia korekcyjnego sprzężenia zwrotnego,

4)  zmontować układ do zdejmowania charakterystyki statycznej regulatora,
5)  dokonać pomiarów a wyniki zanotować w przygotowanej tabelce,
6)  wykreślić charakterystykę statyczną regulatora bez korekcyjnego sprzężenia zwrotnego,
7)  wyznaczyć zakres strojenia histerezy H,
8)  sporządzić charakterystykę u

śr

= f(ε) dla kilku nastaw regulatora [u

śr

= t

/(t

+ t

)],

9) sporządzić dokumentację techniczną z wykonanych badań,
10) sporządzić wnioski z przeprowadzonych badań,

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

regulator dwustawny,

−

instrukcja obsługi, karta katalogowa,

−

miernik uniwersalny,

−

instrukcja ćwiczenia,

−

stoper,

−

kartki papieru,

−

przybory do pisania i rysowania,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak Nie

1) zinterpretować wpływ własności dynamicznych regulatorów P, PD, PI i PID na

tłumienie zakłóceń na wejściu układu regulacji?



2) zinterpretować wpływ własności dynamicznych regulatorów P, PD, PI i PID na

właściwości dynamiczne układu regulacji?



3) narysować przebieg sygnału sterującego regulatora PI na podstawie przebiegu

uchybu regulacji?



4) wyznaczyć na podstawie przebiegu regulacji dwupołożeniowej częstotliwość

przełączania regulatora dwustawnego?



5) wyznaczyć charakterystykę statyczną regulatora dwustawnego?



6) narysować zależność odchylenia wartości średniej y

śr

od wartości zadanej

w regulatorze dwustawnym bez korekcji?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.5. Sterowniki PLC – budowa i zasada działania

4.5.1. Materiał nauczania

Budowa sterownika PLC

Sterowniki programowalne PLC mogą być wykonane w postaci kompaktowej jako

samodzielnie  działające  bloki  (do  zamontowania  na  szynie  DIN  –  rys.  21)  lub  modułowej
(pakietowej),  która  pozwala  na  modernizację  z  rozszerzeniem  możliwości  urządzenia.
Sterowniki  modułowe  są  wsuwane  do  kasety,  gdzie  łączą  się  z  płytą  bazową  sterownika.
W  jednej  kasecie  może  być  kilka  takich  modułów.  Sterowniki  w  wersji  kasetowej  są
przeznaczone do sterowania  bardziej złożonych obiektów (o kilkuset wejściach  i wyjściach).
Sterowniki kompaktowe mają niewielką liczbę wejść i wyjść (od 10 do 32).

Rys. 21. Widok najmniejszego sterownika PLC zamocowanego na listwie DIN:

1 – listwa DIN, 2 – sterownik LOGO, 3 – wyjścia, 4 – wyświetlacz,
5 – wejścia, 6 – kasetka z wsuwaną pamięcią flash, 7 – przyciski do
programowania [8, s. 192]

Sterownik PLC (rys. 22) zbudowany jest z: układu zasilania napięciowego (zasilacza),

modułu sygnałów wejściowych, jednostki centralnej z mikroprocesorem, pamięci programu
oraz modułu sygnałów wyjściowych. Moduł jednostki centralnej CPU podłącza się do źródła
napięcia (zazwyczaj jest to napięcie stałe +24 V).

Rys. 22. Schemat funkcjonalny sterownika PLC [8, s. 192]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Blok pamięci zawiera następujące obszary połączone wewnętrzną magistralą sterownika:

–

pamięć danych typu ROM lub EPROM, przechowuje dane i instrukcje programu
użytkownika, może być rozszerzana za pomocą dodatkowych kart lub modułów,

–

pamięć robocza – szybka pamięć typu RAM, w trakcie przetwarzania programu przez
użytkownika kopiowane są do niej dane,

–

pamięć systemowa zawiera zmienne (operandy), na których wykonywane są operacje
programu (zmienne te zbierane są w obszarze zwanym obszarem operandów – wielkość
obszaru zależy od zastosowanego CPU).

Moduł sygnałów wejściowych zawiera układy elektroniczne zamieniające sygnały

pochodzące  z  urządzeń  zewnętrznych  na  sygnały  logiczne  akceptowane  przez  sterownik.
Układy stosowane w tym  module to: dzielniki napięcia, filtry RC tłumiące zakłócenia, diody
chroniące,  układy  prostownicze,  transoptory  izolujące  obwody  wejściowe  i  magistralę
sterownika.  Sterowniki  zawierają  zazwyczaj  moduły  8,  16  lub  32  wejść  binarnych,  które
są multipleksowane. Ich stan sygnalizowany jest diodą LED.

Moduły sygnałów wyjściowych zawierają zazwyczaj moduły 8 lub 16 wyjść binarnych

trzech rodzajów:
–

wyjścia przekaźnikowe zapewniające całkowitą separację galwaniczną wewnętrznych
układów sterownika i obwodów wejściowych,

–

wyjścia z łącznikami triakowymi stosowane dla zasilania odbiorników prądu
przemiennego (np. 230 V/ 50 Hz, AC),

–

wyjścia z łącznikami tranzystorowymi stosowane dla zasilania odbiorników napięcia
stałego (np. 24 V DC, 200 mA).

Dla obsługi poszczególnych procesów przemysłowych zazwyczaj nie wystarczy jeden

sterownik.  Poszczególne  jednostki  produkcyjne  są  wówczas  sterowane  poprzez  sterowniki
lokalne,  podrzędne  (Slave),  połączone  przy  pomocy  sieci  np.  PROFIBUS–DP
ze  sterownikiem  nadrzędnym  (Master),  który  zarządza  całym  systemem  (rys.  23).  Do
magistrali  można  podłączyć  inne  urządzenia  jak  np.  sterowniki,  stacje  i  panele  operatorskie,
a także inne sieci pozwalające na współpracę z urządzeniami pomiarowymi i wykonawczymi.

Rys. 23. Sieć sterownikowa. [8, s. 194]

Sterowniki programuje się najłatwiej przy użyciu komputerów PC lub programatora

ręcznego (rys. 24) za pomocą specjalnego oprogramowania, dostarczanego przez producenta
sterowników. Sterownik podczas programowania może być połączony z komputerem za
pomocą interfejsu szeregowego np. RS – 232C

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 24. Ilustracja możliwości programowania sterownika PLC [8, s. 193]

Zasada działania sterownika SPS z programowalną pamięcią

Sygnały wejściowe sterownika są sygnałami cyfrowymi (np. sygnałowi 1 odpowiada

napięcie stałe o wartości +24 V a sygnałowi 0 napięcie 0 V). Sterownik SPS pracuje zgodnie
z  określonym  programem  sterowniczym.  Program  ten  zawiera  ciąg  rozkazów  logicznych,
które  sterują  pracą  urządzeń.  Są  one  tworzone  przy  użyciu  komputera  lub  programatorów
ręcznych.  Za  pomocą  komputera  można  tworzyć  program  sterowniczy  w  postaci  schematu
stykowego  KOP,  schematu  logicznego  FUP  lub  listy  rozkazów  AWL  (przy  użyciu
programatorów ręcznych tylko w postaci listy rozkazów AWL).

Programowanie sterownika polega na wpisaniu do jego pamięci programu sterowniczego,

w postaci listy pojedynczych rozkazów (lista rozkazów AWL). Kolejność wpisywania
rozkazów wynika z zasad programowania danego sterownika. Rozkaz (rys. 25) składa się
z kilku części:

Rozkaz

Operand

Adres

Operacja

Symbol

Parametr

0000

0.01

Rys. 25. Przykład rozkazu [15, s. 6]

−

adresu – określa numer miejsca w pamięci sterownika rozkazu (sterownik wykonuje
rozkazy w kolejności wynikającej z adresów),

−

operacji – określa zadanie sterownika (rodzaj funkcji logicznej),

−

operandu składającego się z symbolu i parametru; podaje czego ma dotyczyć dana
operacja (określa sygnały wejściowe i wyjściowe sterownika powiązane ze sobą
funkcjami logicznymi),

−

symbolu – określa rodzaj operandu,

−

parametru – określa konkretny parametr.

Dodatkowo, dla lepszego zrozumienia programu, można dodać komentarz do każdego

wiersza programu. Lista rozkazów AWL zawiera określoną liczbę kolejno ponumerowanych
wierszy, którą dzieli się na segmenty.

Operacje określają połączenia sygnałów niezbędne do działania programu. Rozróżnia się

połączenia podstawowe i funkcje specjalne.

Lista przyporządkowująca zawiera wykaz wszystkich elementów sterujących

i wykonawczych przyłączonych do wejść i wyjść sterownika.

Program sterowniczy sporządzony za pomocą komputera (programatora) przesyłany jest

do sterownika i zapamiętywany w jego pamięci. Sterownik z programowalną pamięcią
pracuje sekwencyjnie, tzn. że rozkazy programowe są opracowane kolejno jeden po drugim.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Pracuje on także cyklicznie powtarzając ciągle opracowywanie rozkazów programowych.
Czas cyklu programatora oznacza czas opracowania wszystkich rozkazów zawartych
w danym programie.

Ze względu na rodzaj pamięci sterowniki dzielimy na:

–

sterowniki swobodnie programowalne z na stałe wbudowaną do sterownika pamięcią
RAM,

–

sterowniki z wymienną pamięcią, wyposażone w pamięć typu ROM w postaci
oddzielnego modułu.

Podstawy programowania układów sterowania. Schemat stykowy KOP

Podstawą schematu stykowego KOP jest schemat rozwinięty układu sterowania

stycznikowego. W schemacie stykowym KOP poszczególne gałęzie prądowe przedstawia się
poziomo jedna pod drugą (umożliwia to prezentację programu na monitorze komputera oraz
jego wydruk na drukarce). W schemacie stykowym KOP stosuje się następujące symbole:
– ––][–– jest to symbol niezanegowanego sygnału wejściowego (sygnał 1 jest

rozpoznawany przez sterownik jako 1, a sygnał 0 jako 0),

–  ––]/[–– jest to symbol zanegowanego sygnału wejściowego,
–  ––()–– jest to symbol niezanegowanego sygnału wyjściowego,
–  ––(/)–– jest to symbol zanegowanego sygnału wyjściowego.

Powyższe symbole po uzupełnieniu adresami operandów stanowią program stykowy

KOP.

4.5.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Z jakich modułów składa się sterownik PLC?
2.  Jakiego rodzaju układy elektroniczne składają się na moduł wejściowy?
3.  Jakie są stosowane rodzaje wyjść sterownika PLC?
4.  Jakie obszary pamięci zawiera blok pamięci?
5.  W jaki sposób odbywa się komunikacja programatora i sterownika?
6.  Z jakich podstawowych części składa się rozkaz?
7.  W jaki sposób oznacza się rodzaj operandów?
8.  Jaka  jest  różnica  między  sterownikiem  swobodnie  programowalnym  a  sterownikiem

z wymienną pamięcią?

9.  W jaki sposób oznacza się kolejność rozkazów programu sterownika?
10.  W jaki sposób tworzy się listę rozkazów AWL?
11.  Jakie informacje zawiera lista przyporządkowująca?
12.  Jakie symbole stosuje się na schematach KOP i co one oznaczają?

4.5.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Określ rodzaj wyjść sterownika oraz parametry sygnałów wyjściowych na podstawie

dokumentacji technicznej. Jakimi urządzeniami może on sterować?

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zapoznać się z przygotowaną dokumentacją techniczną sterownika,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

2)  wypisać dane techniczne,
3)  wyjaśnić do sterowania jakimi urządzeniami może służyć ten typ sterownika,
4)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

dokumentacja techniczna sterownika,

−

zeszyt,

−

przybory do pisania,

–

literatura wskazana przez nauczyciela.

Ćwiczenie 2

Na podstawie kart katalogowych oraz informacji z Internetu podaj jakie występują

konstrukcje sterowników PLC oraz w jaki sposób należy je instalować.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z przygotowaną dokumentacją techniczną sterowników,
2)  wyszukać w internecie sterowniki PLC,
3)  wypisać dane techniczne i sposoby ich instalowania,
4)  zaprezentować wykonane ćwiczenie,

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

dokumentacje techniczne sterowników,

−

komputer PC z dostępem do Internetu,

−

zeszyt,

−

przybory do pisania,

–

literatura wskazana przez nauczyciela.

Ćwiczenie 3

Wykonaj połączenia pomiędzy sterownikiem i urządzeniami zewnętrznymi na podstawie

schematu połączeń zacisków sterownika.

Rysunek do ćwiczenia 3

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przygotować stanowisko do pracy,
2)  zapoznać się z przygotowaną dokumentacją techniczną sterownika,
3)  wykonać wskazane połączenia,
4)  zaprezentować wyniki swojej pracy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

dokumentacja techniczna sterownika,

−

sterownik PLC,

−

schemat połączeń zacisków sterownika,

−

2 przyciski zwierne, 2 przyciski rozwierne,

−

2 lampki sygnalizacyjne,

−

katalogi elementów automatyki,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

4.5.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak Nie

1) opisać budowę sterownika PLC?



2) określić wielkość i rodzaj pamięci sterownika, na podstawie dokumentacji

technicznej?



3) określić ilość i rodzaj wyjść sterownika, na podstawie dokumentacji

technicznej?



4) określić poziomy sygnałów wyjściowych sterownika, na podstawie

dokumentacji technicznej?



5) opisać budowę sieci sterownikowej?



6) zainstalować sterownik na szynie DIN?



7) wykonać połączenia pomiędzy sterownikiem i urządzeniami zewnętrznymi?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.6. Urządzenia rejestrujące – budowa i zasada działania

4.6.1. Materiał nauczania

W przemyśle bardzo duże znaczenie ma automatyczna rejestracja wielkości

charakteryzujących przebieg procesu technologicznego. Na podstawie uzyskanych wykresów
obsługa  jest  informowana  o  zmianach  rejestrowanych  wielkości,  można  wykryć  przyczynę
ewentualnej  awarii,  ocenić  prawidłowość  pracy  obsługi.  Do  rejestracji  wyników  pomiarów
stosowana  są  metody:  analogowa,  cyfrowa  i  punktowa.  W  metodzie  analogowej  rejestracja
wyników  pomiaru  polega  na  wykonywaniu  wykresu  mierzonej  wielkości  w  funkcji  czasu.
W  metodzie  cyfrowej  wielkość  rejestrowana  przetwarzana  jest  na  ciąg  liczb,  również
w  funkcji  czasu.  Dodatkowo  mogą  być  drukowane  inne  wiadomości  jako  komentarz  do
drukowanych liczb. W metodzie punktowej element rejestrujący stawia punkt odpowiadający
wartości wielkości mierzonej w stałych odstępach czasu.

Rejestratory analogowe zawierają mechanizm pomiarowy i mechanizm przesuwu

papieru.  Zapis  dokonywany  jest  najczęściej  na  papierze  atramentem  lub  tuszem  za  pomocą
pisaka  o  specjalnej  budowie.  Pióro  składa  się  z  kapilary  szklanej  lub  platynowo-irydowej
i zbiornika atramentu, który zamocowany  jest na korpusie rejestratora i połączony z kapilarą
piszącą  za  pomocą  elastycznej  cieniutkiej  rurki (rys 26).  Przepływ  atramentu  odbywa  się  na
zasadzie  naczyń  włosowatych.  W  rejestratorach  pneumatycznych  pióro  poruszane  jest  przez
mieszek  sprężysty  a  w  rejestratorach  elektrycznych  –  przez  cewkę  poruszającą  się  w  polu
magnetycznym.  Atrament używany w rejestratorach nie  może zasychać na piórze, a zarazem
na papierze powinien schnąć tak szybko, aby nie powodować rozmazywania wykresu.

Rys. 26. Schemat budowy pisaka rejestratora: 1 – pisak, 2 – zbiorniczek, 3 – rurka kapilarna [5, s. 131]

Nośnikiem zapisu w regulatorach stosowanych w automatyce najczęściej jest taśma lub

tarcza papierowa oraz papier składany w harmonijkę (rys. 27). Papier powinien być gładki,
nie może być higroskopijny (aby atrament się nie rozlewał a sam papier nie zmieniał
wymiarów przy zmianach wilgotności).

Rys. 27.

Rodzaje

nośników

zapisu:

taśma

papierowa, b) tarcza papierowa, c) papier
składany w harmonijkę [5, s. 131]

Na rys. 28 przedstawiony jest schemat budowy mechanizmu przesuwu przy zapisie na

taśmie papierowej. Nośnik zapisu jest napędzany przez silnik synchroniczny 1, który przez
wielostopniową przekładnię 2 napędza rolkę ciągnącą 3 z występami (kołkami) wchodzącymi

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

w  dziurki  znajdujące  się  na  krawędzi  taśmy.  Rozwiązanie  to  zapewnia  zgodność  przesuwu
taśmy papierowej  z  prędkością  obrotową rolki  ciągnącej.  Z  rolki  ciągnącej  taśma  papierowa
znajdująca  się  na  rolce  4  luźno  założonej  na  osi  jest  przewijana  za  pośrednictwem  rolki
prowadzącej  5  na  rolkę  nawijającą  6.  Rolka  nawijająca  6  jest  napędzana  silnikiem
synchronicznym  1  poprzez  przekładnię  8  i  sprzęgło  cierne  7.  Sprzęgło  to  zapewnia  stały
naciąg taśmy bez względu na zmieniającą się średnicę rolki nawijającej 6 z taśmą papierową.

Rys. 28.

Schemat blokowy przesuwu taśmy papierowej w rejestratorze: 1 – silnik synchroniczny,
2 – przekładnia zębata, 3 – rolka ciągnąca, 4 – rolka z zapasem taśmy papierowej,
5 – rolka prowadząca, 6 – rolka nawijająca, 7 – sprzęgło cierne, 8 – przekładnia zębata
[7, s. 250]

Zaletą zapisu tarczowego jest dobra widoczność całej nakreślonej krzywej (pełny obrót

tarczy trwa 8, 16 lub 24 godziny). Zaletą zapisu taśmowego jest możliwość ciągłej rejestracji
w dłuższym okresie czasu. Wadą tego zapisu jest konieczność wyjmowania rolki z nawiniętą
taśmą w celu zapoznania z zarejestrowanym przebiegiem. Czynność ta zakłóca pracę
rejestratora. Zastosowanie papieru składanego samoczynnie

na dole pojemnika

w harmonijkę ułatwia przeglądanie zarejestrowanych przebiegów bez konieczności
zakłócania pracy rejestratora.

W celu zmniejszenia liczby stosowanych rejestratorów jednokanałowych, w przypadku

konieczności  porównywania  wartości  kilku  parametrów  budowane  są  rejestratory
wielokanałowe.  W  zależności  od  konstrukcji  rejestratory  mogą  pracować  w  układzie  bez
sprzężenia  zwrotnego  lub  jako  autokompensacyjne.  Rejestratory  autokompensacyjne
pozwalają  na  uzyskanie  większych  dokładności  wartości  zarejestrowanego  parametru,
ponieważ  pracują  one  w  układzie  zamkniętym  (ze  sprzężeniem  zwrotnym),  w  którym
przebieg rejestrowany porównywany jest z przebiegiem wielkości wejściowej.

Rys. 29.

Schemat budowy rejestratora z opadającym pałąkiem: 1 – wskazówka,
2 – cewka, 3 – pałąk, 4 – taśma barwiąca, 5 – krzywka podnoszenia i opadania
pałąka, 6 – silnik synchroniczny [7, s. 255]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Na rys. 29 przedstawiono przykład rejestratora z zapisem punktowym z opadającym

pałąkiem. Rejestratory tego typu są najczęściej wykonywane jako wielokanałowe
(wielopunktowe) do jednoczesnej rejestracji kilku różnych wartości.

Rejestratory jako urządzenia precyzyjne wymagają właściwej obsługi. Podczas ich

eksploatacji  należy  przestrzegać  zaleceń  producenta  podanych  w  instrukcji  obsługi.
Najczęściej  obsługujący  styka  się  z  mechanizmem  przesuwu  papieru, samym  papierem  oraz
urządzeniem  rejestrującym.  Papier  stosowany w rejestratorach powinien  być  odpowiedniego
rodzaju  i  jakości.  Nie  może  być  zabrudzony  ani  wilgotny.  Mocując  papier  do  rolki
nawijającej  należy  sprawdzić  czy  układa  się  on  równolegle  do  osi  rolki.  Naciąg  papieru
zależy od ustawienia  sprzęgła ciernego, które może wymagać regulacji, ponieważ papier  nie
może  być  naciągany  zbyt  mocno  ani  nawijany  na  rolce  ciągnącej  zbyt  luźno.  Elementy
rejestrujące  wymagają  stałej  kontroli.  W  rejestratorach  z  opadającym  pałąkiem  wymagana
jest okresowa wymiana taśmy barwiącej, a w rejestratorach z piórem – regularne uzupełnianie
w zbiorniczku atramentu. Pisak wymaga częstego przepłukiwania letnią wodą lub spirytusem.
Mechanizmy  ruchome  należy  okresowo  smarować  specjalnym  olejem  do  mechanizmów
precyzyjnych.

Na rys. 30 przedstawiony jest mikroprocesorowy rejestrator z ekranem LCD pozwalający

na  wizualizację,  rejestrację  i  archiwizację  parametrów  procesów  przemysłowych.
Wyposażony jest w kolorowy wyświetlacz o przekątnej 5,5”, wewnętrzną kartę pamięci oraz
system  zapisu  rejestrowanych  parametrów  na  dyskietkę  3,5”.  Rejestrator  współpracuje
z  programem  komputerowym  bezpośrednio  w  czasie  rzeczywistym  lub  za  pomocą  danych
przenoszonych  z  dyskietki.  Wyświetlacz  LCD  pozwala  przedstawić  rejestrowane  dane
w różnych formach wizualizacji: emulacja taśmy papierowej, bar grafy, pola cyfrowe itp. Na
ekranie  można  obserwować  dane  zbierane  na  bieżąco  oraz  dane  zapisane  w  pamięci
rejestratora.  Wprowadzenie  danych  wejściowych  rejestratora  i  ustawień  programowych
można  dokonać  poprzez  klawiaturę  na  rejestratorze  lub  za  pośrednictwem  interfejsu
z  komputera.  Rejestrator  posiada  uniwersalne  wejście,  dzięki  czemu  może  współpracować
z wszystkimi rodzajami czujników termoparowych i termorezystancyjnych.

Rys. 30. Mikroprocesorowy rejestrator z ekranem LCD serii BR [16, s.175]

4.6.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jakie znasz metody rejestracji wyników pomiarów stosowane w rejestratorach?
2.  Do czego mogą służyć zarejestrowane informacje?
3.  Jak zbudowany jest pisak rejestratora?
4.  Jakie zalety posiadają nośniki zapisu stosowane w rejestratorach?
5.  W jaki sposób realizowany jest naciąg taśmy papierowej?
6.  Jakie zalety posiadają rejestratory wielokanałowe?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

7. Jakie wymagania powinien spełniać papier stosowany na taśmy w rejestratorach?
8. Jakie możliwości techniczne posiada rejestrator mikroprocesorowy?

4.6.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Zbadaj automatyczny rejestrator elektryczny.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przygotować stanowisko do pracy,
2)  sprawdzić, czy rejestrator jest odłączony od sieci zasilającej,
3)  otworzyć pokrywę rejestratora w celu zapoznania się z jego budową,
4)  przygotować rejestrator do pracy,
5)  założyć papier,
6)  sprawdzić napełnienie banieczki tuszem,
7)  oczyścić pióro,
8)  uzupełnić w zbiorniczku zapas tuszu,
9)  włączyć rejestrator do sieci zasilającej,
10)  włączyć napęd papieru,
11)  zmienić szybkość przesuwu papieru,
12)  dołączyć do przewodów rejestratora napięcie elektryczne powodujące przesunięcie pióra

na środek podziałki,

13) zarejestrować skokowe zmiany tego napięcia,
14) powtórzyć pomiary ustalając mniejszą, a następnie większą wartość współczynnika

wzmocnienia wzmacniacza rejestratora,

15)  zmierzyć minimalny czas przesuwu pióra rejestratora wzdłuż całej podziałki,
16)  określić parametry statyczne i dynamiczne charakteryzujące rejestrator,
17)  podać  dane  rejestratorów,  które  powinny  być  zamieszczone  w  katalogu  przyrządów

pomiarowych,

18) zaprezentować wykonane ćwiczenie.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

automatyczny rejestrator elektryczny,

−

taśma papierowa,

−

tusz,

−

spirytus,

−

stoper,

−

sieć zasilająca,

−

źródło napięcia zasilającego przewody wejściowe rejestratora,

−

materiały i przybory do pisania,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

Ćwiczenie 2

Podaj zasadę działania, parametry techniczne rejestratorów oraz na podstawie kart

katalogowych i instrukcji określ wymagania eksploatacyjne badanych rejestratorów.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przygotować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,
2)  określić typ rejestratora,
3)  podać nazwę producenta,
4)  odczytać zakresy pomiarowe oraz klasę dokładności,
5)  wskazać gdzie mogą być stosowane,
6)  podać wymagania eksploatacyjne badanych rejestratorów,
7)  zaprezentować efekty swojej pracy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

rejestratory,

–

regulatory z wbudowanymi rejestratorami,

–

karty katalogowe,

–

instrukcje obsługi,

–

zeszyt,

–

przybory do pisania,

–

literatura wskazana przez nauczyciela.

4.6.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) założyć rolkę z papierem do rejestratora?



2) uzupełnić zapas tuszu w zbiorniczku i przeczyścić pióro?



3) zmierzyć minimalny czas przesuwu pióra wzdłuż całej podziałki?



4) określić parametry statyczne i dynamiczne badanego rejestratora?



5) dobrać rejestrator do zadanych warunków pomiaru?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.7. Elementy przełączające – budowa i zasada działania

4.7.1. Materiał nauczania

Półprzewodnikowe elementy załączające

W układach elektrycznych w zakresie małych i średnich wartości napięć i prądów

funkcje  przełączające  pełnią  elementy  półprzewodnikowe,  zwane  popularnie  kluczami.
Pracują  w dwóch  stanach:  dużej  rezystancji(element zablokowany  –  klucz  rozwarty)  i  małej
rezystancji  (element  przewodzi  –  klucz  zwarty).  Funkcje  przełączników  mogą  pełnić
tranzystory  bipolarne,  unipolarne,  tyrystory.  Przełączniki  półprzewodnikowe  używa  się  do
budowy

multiplekserów,

demultiplekserów,

układów

próbkująco-pamiętających,

przetworników a/c i c/a, w układach sterowania silników.

Przełączniki z tranzystorami polowymi

Elementami przełączników scalonych mogą być tranzystory polowe FET, w których

sterowanie  prądem  płynącym  przez  tranzystor  odbywa  się  za  pomocą  oddziaływania  pola
elektrycznego  na  półprzewodnik.  Tranzystory  polowe  dzielimy  na  złączowe  (PNFET)
i  z  izolowaną  bramką  (MOS).  W  tranzystorach  z  izolowaną  bramką  występuje  w  pobliżu
warstwy  izolacyjnej  kanał  przewodzący  między  źródłem  a drenem.  Tranzystory  MOS  dzieli
się na dwie grupy (rys.31):

−

z kanałem zubożanym (DMOS), jeśli kanał między drenem i źródłem istnieje bez
polaryzacji bramki – żeby kanał zamknąć należy doprowadzić do elektrod napięcie
odcięcia,

−

z kanałem wzbogacanym (EMOS), jeśli w zwykłych warunkach kanał nie istnieje –
pojawia się po spolaryzowaniu bramki odpowiednim napięciem.

Rys. 31. Charakterystyki tranzystorów MOS jako elementów przełączających [4, s. 78]

Dzięki możliwości sterowania kanałem dwuwartościowo tak, aby punkt pracy znajdował

się  raz  po  jednej  raz  po  drugiej  stronie  punktu  odcięcia  prądu  na  charakterystyce,  możemy
wykorzystać  tranzystor  MOS  jako  klucz  przełączający.  Klucz  ten  charakteryzuje  się  małą
rezystancją  zastępczą  w  stanie  przewodzenia  i  bardzo  dużą  w  stanie  odcięcia.  W  układzie
przełączającym  elementy  MOS  zachowują  się  jak  sterowane,  dwustawne  rezystory.  Układy
z  elementami  MOS  szczególnie  nadają  się  do  scalania  (przykład  –  układ  scalony  4066
zawierający  w  jednej  obudowie  cztery  bilateralne  przełączniki  analogowe  sterowane
indywidualnie cyfrowo – rys. 32).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 32. Poczwórny przełącznik 4066: a) wersja scalona; b) przykładowy sposób

jego użycia [4, s. 79]

Przełączniki z tranzystorami bipolarnymi

Przełączniki z tranzystorami bipolarnymi mogą być zarówno w wersji monolitycznej, jak

i scalonej. Przedstawiony na rys. 33 przełącznik bipolarny jest częścią monolitycznego
poczwórnego przełącznika AD555, ze stykami przełącznymi, sterowanego sygnałem TTL.

Para tranzystorów przełączających T

i T

może przewodzić prąd w obydwu kierunkach.

Jest ona dołączona do napięć odniesienia U

i U

nie przekraczających ± 4V względem masy.

Układ sterujący tworzą pary tranzystorów T

, T

i T

, T

ze źródłami prądowymi

o wydajności ok. 300 μA. Napięcie 1,2 V na bazie tranzystora T

pochodzi z wewnętrznego

dzielnika. Jeśli na wejściu będzie stan 1, to tranzystor T

zostanie odcięty, a tranzystor T

i wysterowany przez niego T

będą przewodziły, spowoduje to wyłączenie tranzystora T

i nasycenie prądem I

tranzystora T

, który przełącza napięcie T

na wyjście. Jest to

przełącznik małej mocy. Przy sterowaniu silników należałoby zastosować tranzystory
bipolarne mocy.

Rys. 33. Przełącznik bipolarny: a) schemat; b) oznaczenie [4, s. 80]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Przełączniki tyrystorowe

Tyrystory stosuje się w układach zasilania odbiorników prądu stałego (np. silników)

ze źródła napięcia przemiennego kiedy wymagane jest sterowanie wartością skuteczną prądu.
Takie sterowanie przedstawia rys. 34. Sterownik generuje impulsy I

, I

załączające

tyrystory, przesunięte w fazie o kąt Θ (0

≤

π) względem napięcia zasilającego.

Rys. 34.

Wykorzystanie tyrystorów; a) schemat; b) przebiegi sygnałów [4, s. 83]

Tyrystor dwukierunkowy – triak (rys. 35) może być wykorzystany do zasilania ze źródła

napięcia przemiennego odbiorników, takich jak urządzenia grzejne i oświetleniowe, które nie
wymagają prądu jednokierunkowego, tylko sterowania jego wartością skuteczną.

Rys. 35. Sposób wykorzystania triaka [4, s. 83]

4.7.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Jakie elementy w układach elektrycznych w zakresie małych i średnich mocy pełnią

funkcje przełączające?

2.  Jakie elementy mogą pełnić funkcję przełączników półprzewodnikowych?
3.  Dlaczego można wykorzystać tranzystor MOS jako klucz przełączający?
4.  Jaka jest zasada działania bipolarnego przełącznika?
5.  Do czego mogą być wykorzystane triaki?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.7.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Zapoznaj się z działaniem bezstykowych elementów przełączających.

Sposób wykonania ćwiczenia:

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z materiałem dotyczącym bezstykowych elementów przełączających,
2)  przygotować stanowisko pracy,
3)  wyszukać w katalogu dane użytkowe badanych elementów,
4)  zanotować parametry badanych elementów,
5)  zaproponować układ do sprawdzenia niektórych parametrów badanych elementów,
6)  zapoznać się ze schematami i budową układów zasilania zawierających tyrystory i triaki,
7)  zaobserwować na ekranie oscyloskopu przebiegi napięć w wybranych punkach układów

zasilania,

8) narysować te przebiegi,
9) wyznaczyć charakterystykę sterowania jako zależność prądu w odbiorniku w funkcji

położenia nastawnika kąta załączenia tyrystora,

10) porównać wyniki z danymi katalogowymi,
11) zaprezentować wynik swojej pracy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

zestaw elementów przełączających,

−

nastawniki kąta załączania tyrystorów i triaków,

−

rezystory regulowane,

−

generator,

−

oscyloskop dwukanałowy,

−

woltomierz cyfrowy,

−

autotransformator,

−

katalogi elementów,

−

instrukcja obsługi oscyloskopu,

−

przybory do pisania i rysowania, papier,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

Ćwiczenie 2

Na rysunku przedstawione są schematy łączników elektronicznych z tranzystorami

polowymi. Opisz zasadę działania układów.

Rysunek do ćwiczenia 2

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z materiałem dotyczącym zasady działania łączników elektronicznych,
2)  zorganizować stanowisko pracy,
3)  przeanalizować działanie przedstawionych układów,
4)  opisać działanie układów,
5)  zaprezentować efekty swojej pracy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

zeszyt,

−

przybory do pisania i rysowania,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

4.7.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

odszukać w katalogu podstawowe dane użytkowe bezstykowych
elementów przełączających?



podać parametry charakteryzujące stan dynamiczny tranzystora
polowego?



omówić procesy załączania i wyłączania tranzystora bipolarnego?



wyjaśnić co to jest obszar bezpiecznej pracy tranzystora?



wyznaczyć napięcie progowe tranzystora polowego?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.8. Przetworniki elektrooptyczne – budowa i zasada działania

4.8.1. Materiał nauczania

Elementami optoelektronicznymi nazywamy elementy elektryczne wykorzystujące fale

świetlne

podczerwieni

ultrafioletu.

Półprzewodnikowymi

elementami

optoelektronicznymi są:

−

elementy przetwarzające fale świetlne na sygnały elektryczne, np., fotorezystory,
fotodiody, fototranzystory, przetworniki obrazu CCD i APS,

−

elementy emitujące światło, czyli przetwarzające prąd elektryczny w fale świetlne, np.
diody LED, diody laserowe, kineskopy, wyświetlacze, moduły wyświetlaczy.

Czujniki optoelektroniczne znalazły zastosowanie w automatyce. Działają na zasadzie

wysyłania  wiązki  promieni  świetlnych  przez  nadajnik  i  ich  odbieraniu  przez  odbiornik.
Czujniki  te  reagują  na  obiekty  znajdujące  się  na  drodze  rozchodzenia  się  wiązki  światła.
Zaletą  czujników  są  duże  zasięgi  działania  uzyskiwane  dla  małych  obudów  czujników.
Wykorzystuje  się  m.in.  do  kontroli  położenia  ruchomych  części  maszyn,  do  identyfikacji
obiektów znajdujących się w zasięgu działania czujników, np. przesuwających się po taśmach
transportowych,  do  określania  poziomu  cieczy  i  materiałów  sypkich.  W większości czujniki
wykorzystują  modulowane  światło  z  zakresu  bliskiej  podczerwieni  (źródłem  światła  jest
dioda  LED  podczerwień).  Zaletą  ich  jest mała  wrażliwość  na  światło  widzialne  z  otoczenia,
duża  odporność  na  zakłócenia  oraz  możliwość  pracy  w  warunkach  zanieczyszczenia
powietrza  i  przy  zabrudzeniu  układu  optycznego  czujnika.  Zanieczyszczone  powietrze
i zabrudzony układ optyczny skracają jednak strefę działania czujnika

Czujniki optyczne możemy podzielić na następujące rodzaje:

−

czujniki optyczne odbiciowe TOO,

−

czujniki optyczne refleksyjne TOR,

−

jednowiązkowe bariery świetlne TOB.
W czujnikach optycznych odbiciowych (rys. 36 a) nadajnik i odbiornik umieszczone są

we wspólnej obudowie. Reagują na obiekty wprowadzone w strefę działania czujnika.
Wiązka promieni świetlnych emitowana z nadajnika po odbiciu się od przeszkody znajdującej
się na jej drodze, odbija się od niej. Pozostała część dociera do odbiornika, gdzie po
wzmocnieniu służą do wytworzenia sygnału przełączającego wyjście czujnika.

W czujnikach optycznych refleksyjnych (rys. 36 b) nadajnik i odbiornik umieszczone są

również we wspólnej obudowie, skierowane w końcowy punkt zasięgu, w którym
umieszczono specjalny reflektor odblaskowy. Przesłonięcie przez obiekt wiązki promieni
świetlnych powoduje przerwanie transmisji i przełączenie obwodu wyjściowego czujnika.

W jednowiązkowych barierach świetlnych (rys. 36 c) odbiornik i nadajnik umieszczone

są w oddzielnych obudowach. Każdy obiekt, który znajdzie się na drodze wiązki promieni
świetlnych, przerywa transmisję i przełącza obwody wyjściowe czujnika.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

a)

b)

c)

Rys. 36. Zasada

działania

czujników

optycznych:

a) odbiciowego, b) refleksyjnego, c) jednowiązkowej
bariery świetlnej [16, s. 60]

Czujniki optoelektroniczne są podstawą systemu przemysłowych barier ochronnych.

Każdy  system  składa  się  z  nadajnika  i  odbiornika,  profilu  gumowego  zamontowanego
w  listwie  aluminiowej  oraz  jednostki  sterującej.  Czujniki  używają  pulsującego  światła
podczerwonego. Jeżeli promień  światła  jest osłabiony lub przewód połączenia elektrycznego
zostanie  uszkodzony  lub  przerwany,  jednostka  sterująca  odetnie  zasilanie  od  przekaźników
wyjściowych. Listwa  bezpieczeństwa  może zabezpieczać długość od 0,4 m do 10  m.  Listwa
jest  stosowana  w  celu  zabezpieczenia  ludzi  przed  uszkodzeniem  przez  ruchome  części,  np.
drzwi  przemysłowe,  osłony  i  drzwi  maszyn,  pojazdy  sterowane  automatycznie,  podesty
ruchome  i  platformy  dźwigowe,  automatyczne  systemy  transportowe,  roboty,  systemy
podawania materiałów itp. Na rys. 37 pokazano przykłady montażu listwy bezpieczeństwa.

Rys. 37. Przykładowe sposoby montażu listwy bezpieczeństwa [15, s. 289]

Na rys. 38 przedstawiono optyczny sensor płożenia, w którym wykorzystano fotoelement

np. fotodiodę. Kiedy strumień światła pada na fotodiodę, wytwarza ona sygnał napięciowy
o wartości zależnej od miejsca padania strumienia. Dzięki zastosowaniu tego sensora oraz

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

metodzie triangulacji można bardzo dokładnie, bezdotykowo wyznaczyć odległość do
przedmiotów.

Rys. 38. Optyczny sensor położenia [12, s. 194]

Przy pomocy półprzewodnikowych, fotoczułych płytek, np. kwadratowych o długości

krawędzi 15 mm, można wykonać optyczny pomiar odchyłki położenia. Płytkę mocuje się na
saniach obrabiarki lub robocie (rys. 39), następnie kierując na środek płytki cienki promień
lasera, można wyznaczyć odchyłkę trajektorii ruchu – wzdłuż promienia lasera – mierzoną
prostopadle do jego osi.

Rys. 39.

Wyznaczanie dokładności ruchu robota wzdłuż linii prostej za pomocą fotoelementu [12, s. 194]

Optyczne sensory zbliżeniowe pracują jako sensory refleksyjne (rys. 40). W przypadku

zbliżenia  się  przedmiotu  wyemitowane  przez  diodę  nadawczą  pulsujące  promieniowanie
podczerwone,  odbija  się  od  niego  i  jest  odbierane  przez  fototranzystor.  Wykorzystując
sensory  optyczne  w  bardzo  małych  urządzeniach,  np.  w  mikronapędach,  promieniowanie
wysyłane i odbierane przesyłane jest cienkimi, giętkimi przewodami światłowodowymi.

Rys. 40.

Optyczny sensor zbliżeniowy [12, s. 202]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Na rys. 41 pokazano sposoby wykorzystania optycznych sensorów zbliżeniowych

w urządzeniach transportowych i na stanowiskach montażowych.

Rys. 41.

Przykłady zastosowania optycznych sensorów zbliżeniowych [12, s. 202]

4.8.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jakie elementy nazywamy elementami optoelektronicznymi?
2.  Jaka jest podstawowa różnica w działaniu diody LED i fotodiody?
3.  Gdzie znalazły zastosowanie czujniki optoelektroniczne?
4.  Jakie zalety posiadają czujniki optoelektroniczne?
5.  Jaka  jest  zasada  działania  czujników  optycznych  odbiciowych,  a  jaka  czujników

refleksyjnych?

6. Gdzie stosuje się listwy bezpieczeństwa?
7. Jaka jest zasada działania optycznego sensora zbliżeniowego?

4.8.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Spośród podanych czujników wybierz czujniki optoelektroniczne. Na podstawie

oznaczeń określ ich typy. Odnajdź w Internecie notę katalogową każdego czujnika i odczytaj
parametry oraz zastosowanie czujnika. Odszukaj sklepy Internetowe oferujące czujniki
optoelektroniczne, porównaj ich ceny.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  wybrać czujniki optoelektroniczne spośród wszystkich dostępnych czujników,
2)  odczytać typ każdego z nich,
3)  odnaleźć w internecie kartę katalogową czujnika optoelektronicznego,
4)  odczytać parametry poszczególnych czujników oraz ich zastosowanie,
5)  porównać ceny czujników,
6)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

różne typy czujników, w tym czujniki optoelektroniczne różnych typów,

–

komputer PC z dostępem do Internetu,

–

oprogramowanie umożliwiające przeglądanie dokumentacji w postaci plików PDF,

–

materiały i przybory do pisania

–

literatura wskazana przez nauczyciela.

Ćwiczenie 2

Na podstawie zadanego schematu układu do wyznaczania charakterystyk prądowo–

napięciowych i oświetleniowych wykonaj badanie fototranzystora.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z materiałem teoretycznym o elementach optoelektronicznych,
2)  zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,
3)  zapoznać się z elementami składowymi układu do badania fototranzystora,
4)  zaznajomić się z danymi katalogowymi badanego fototranzystora,
5)  zanotować najważniejsze dane katalogowe fototranzystora,
6)  zmontować układ pomiarowy zgodnie z podanym schematem,
7)  zgłosić gotowość wykonania ćwiczenia prowadzącemu,
8)  przystąpić,  po  sprawdzeniu  poprawności  projektu  i  połączeń  przez  nauczyciela  oraz

otrzymaniu zezwolenia, do wykonywania pomiarów,

9)  wyznaczyć charakterystyki prądowo-napięciowe fototranzystora,
10)  wyznaczyć charakterystykę oświetleniową fototranzystora,
11)  wykreślić zdjęte charakterystyki,
12)  omówić przebiegi otrzymanych charakterystyk,
13)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

fototranzystor,

–

ogniwo fotoelektryczne,

–

woltomierz elektroniczny,

–

luksomierz,

–

zasilacz stabilizowany,

–

materiały i przybory do pisania,

–

literatura wskazana przez nauczyciela.

4.8.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) rozpoznać czujniki optoelektroniczne?



2) odszukać na podstawie oznaczeń karty katalogowe badanych czujników?



3) porównać parametry czujników w powiązaniu z ich ceną?



4) wyznaczyć charakterystyki prądowo-napięciowe fotoelementu?



5) wyznaczyć charakterystykę oświetleniową fotoelementu?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.9. Układy regulacji wielkości nieelektrycznych (temperatura,

ciśnienie, przepływ) – budowa i zasada działania

4.9.1. Materiał nauczania

Układy regulacji temperatury należą do najczęściej spotykanych w przemyśle. Typowe

obiekty regulacji to: wymienniki ciepła, reaktory chemiczne, piece gazowe i elektryczne,
urządzenia klimatyzacyjne, suszarnie itd.

Na rys. 42 przedstawiono schemat układu regulacji temperatury w piecu

z zastosowaniem regulatora dwustawnego z pomocniczym sprzężeniem zwrotnym.

Jeśli, na wejściu wzmacniacza 1 suma sygnałów:

– sygnału z termoelementu

(temperatura mierzona),

– sygnału wartości zadanej oraz

– sygnału ujemnego

sprzężenia zwrotnego przekroczy określoną wartość

−

to zadziała przekaźnik P, który przez styki włącza napięcie U zasilające grzejnik oraz obwód
ładowania kondensatora C przez rezystor R. Dzięki sprzężeniu zwrotnemu układ powoduje
włączenie z wyprzedzeniem przekaźnika P. W ten sposób nie dochodzi do zbyt dużych

przeregulowań wielkości regulowanej. Po wyłączeniu przekaźnika maleje temperatura

i zmniejsza się sygnał

sprzężenia zwrotnego ujemnego, bowiem kondensator C rozładowuje

się przez rezystancję wejściową wzmacniacza pomocniczego 2.

Rys. 42. Układ regulacji temperatury z regulatorem dwustawnym z ujemnym sprzężeniem

zwrotnym: a) schemat układu, b) schemat blokowy [15, s. 197]

Gdy suma sygnałów

dostatecznie zmaleje, ponownie zadziała przekaźnik P i cykl

pracy układu powtarza się.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 43.

Zmiany wielkości regulowanej w układzie regulacji dwustawnej: a) wykresy

( )

oraz

( ) ( )

; b) sygnał sprzężenia zwrotnego

( )

; c) napięcie zasilające

grzejnik [15, s. 198]

Rys. 43 przedstawia wykresy czasowe działania układu zobrazowanego na rys. 42.

Gdyby nie było sprzężenia zwrotnego w układzie, przełączanie napięcia U występowałyby

przy sygnałach

osiągających wartości

oraz

. Zastosowanie ujemnego sprzężenia

zwrotnego, powoduje że regulator włącza napięcie U z wyprzedzeniem.

Rys. 44. Układ

trójpołożeniowej

regulacji

temperatury:

–

zawór

elektromagnetyczny, T – przetwornik pomiarowy temperatury, RT – regulator
temperatury

Rys. 44 przedstawia regulację temperatury w wymienniku ciepła z regulatorem

trójstawnym.  Temperatura  wody  na  wlocie  do  wymiennika  ciepła  może  być  w  pewnych
przypadkach  czasu  wyższa  od  wartości  zadanej.  Potrzebne  jest  więc  w  tych  przedziałach
czasu  chłodzenie  wody.  Wielkość  sterująca  czyli  ilość  energii  cieplnej  dopływającej  do
wymiennika, może przyjąć trzy wartości: grzanie – wyłączenie – chłodzenie.

Inne rozwiązanie, regulacji temperatury, z zastosowaniem regulatora krokowego

przedstawiono na rys. 45. Elementem wykonującym funkcje: załącz w prawo – stop – załącz
w lewo, realizuje serwomechanizm.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 45. Układ regulacji temperatury z regulatorem krokowym: SE – silnik

elektryczny,  PP  –  przetwornik  położenia  wału  silnika,  PT  –  przekaźnik
trójpołożeniowy,  T–  przetwornik  pomiarowy  temperatury,  RC  –  regulator,
Z – zawór

W węźle sumacyjnym, następuje porównanie sygnału wyjściowego z regulatora (sygnał

prądowy) z sygnałem z przetwornika położenia. W przypadku nierówności sygnałów
(z uwzględnieniem stref nieczułości i strefy niejednoznaczności) następuje uruchomienie
silnika w odpowiednim kierunku aż do zrównania się tych sygnałów.

Rys. 46. Układ regulacji temperatury komory nagrzewanej pyłem węglowym z pomocniczą

wielkością nastawiającą: MK – młyn kulowy, C – cyklon, R – regulator,
PD –regulator pomocniczy typu PD, K – komora spalania [10, s. 413]

Przykładem układu regulacji z pomocniczą wielkością nastawiającą jest układ regulacji

temperatury  w  komorze  K  nagrzewanej  pyłem  węglowym  (rys.  46).  Po  zmieleniu  węgla
w  młynie  kulowym  MK  pył  zostaje  przetransportowany  wraz  ze  strumieniem  powietrza  do
cyklonu  C,  gdzie  osiada  na  jego  dnie.  Prosty  sposób  regulacji  może  polegać  na  pomiarze
temperatury  i  oddziaływaniu  na  prędkość  kątową  młyna.  Cecha  charakterystyczną  takiego
obiektu  jest  duża  wartość  czasu  opóźnienia  oraz  stałej  czasowej.  Dla  polepszenia  regulacji
wykorzystano  jako  pomocniczą  wielkość  nastawiającą  strumień  powietrza  dostarczający  pył
węglowy  bezpośrednio  do  komory  spalania.  Zmniejszenie  się  wartości  temperatury

w stosunku do zadanej

powoduje:

−

zwiększenie stopnia otwarcia zaworu, wskutek czego nastąpi chwilowe zwiększenie
przepływu powietrza porywającego za sobą cząstki pyłu,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

zwiększenie prędkości kątowej młyna, co z kolei spowoduje zwiększenie ilości
wytwarzanego paliwa.

Powietrze dodatkowe doprowadzone bezpośrednio do komory spalania uzupełnia ilość

powietrza do całkowitego spalania.

Układ regulacji ciśnienia w zbiorniku z wykorzystaniem pomocniczej wielkości

nastawiającej przedstawia rys. 47. Wielkością regulowaną jest ciśnienie w zbiorniku

zasilanym przez pompę P. Nastawianie ciśnienia przez zmianę prędkości kątowej

pompy

P jest  sposobem  bardzo  ekonomicznym  (małe  zużycie  energii),  ale  równocześnie  bardzo
powolnym.  Zmniejszenie  odpływu  Q  ze  zbiornika  powoduje  w  nim  nadmierny  wzrost
ciśnienia,  co  jest  bardzo  niebezpieczne.  Zastosowanie  zaworu  pomocniczego  powoduje,
w  przypadku  wzrostu  ciśnienia,  szybkie  przymknięcie  zaworu.  Spowoduje  to  zwiększenie
spadku  ciśnienia  na  zaworze  nie  dopuszczając  do  wystąpienia  nadmiernego  ciśnienia
w zbiorniku. W normalnym stanie pracy zawór jest całkowicie otwarty.

Rys. 47.

Układ regulacji ciśnienia w zbiorniku, z wykorzystaniem pomocniczej wielkości
nastawiającej: P – pompa, Z – zbiornik, R – regulator, D – regulator typu
D, M – silnik [10, s. 381]

Układ regulacji przepływu

Na rys. 48 przedstawiony jest układ stabilizacji zasilania. Aparat B wymaga stałego

w czasie natężenia dopływu Q (rys. 48 c). Stabilność zapewnia regulator R. Ponieważ aparat
A dostarcza zmiennego w czasie przepływu Q

(rys. 48 b), który ze względów

technologicznych  nie  może  być  stabilizowany,  zatem  w  układzie  zainstalowano
międzyoperacyjny  zbiornik  buforowy.  Pozim  h  w  tym  zbiorniku  ulega  zmianom  wraz  ze
zmianami  natężenia  dopływu  Q

. W układzie zastosowano sygnalizację granicznej górnej

wartości poziomu h

max

przez włączenie czerwonej lampki Ż.

Rys. 48.

Układ stabilizacji natężenia dopływu cieczy do agregatu technologicznego:
a) schemat aparatury technologicznej i regulacyjnej, b) wykres zmian w czasie
przepływu Q

, c) przebieg stały w czasie natężenia dopływu Q [10, s. 370]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.9.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Jak działa regulator dwustanowy z pomocniczym sprzężeniem zwrotnym?
2. Dlaczego w układzie regulacji temperatury z regulatorem dwustawnym z pomocniczym

sprzężeniem zwrotnym nie dochodzi do zbyt dużych przeregulowań wartości
regulowanej?

3. Jakie wartości może przyjmować wielkość sterująca w układzie temperatury

w wymienniku ciepła z regulatorem trójstawnym?

4. W jaki sposób oddziaływuje na układ regulacji ciśnienia w zbiorniku pomocnicza

wielkość nastawiająca?

5. Dlaczego w układzie stabilizacji dopływu cieczy zastosowano sygnalizację świetlną

poziomu w zbiorniku buforowym?

4.9.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Dokonaj montażu i badania układu automatycznej regulacji temperatury z regulatorem

dwustawnym.

Rysunek do ćwiczenia 1.

Schemat

układu

dwustawnej

regulacji

temperatury

pieca

elektrycznego: 1 – termoelement, dwuelektromagnes, 3 – zwora
elektromagnesu, 4 – grzejnik

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z materiałem teoretycznym o regulacji dwustawnej,
2)  przygotować stanowisko do pracy,
3)  zapoznać  się  z  elementami  składowymi  układu  regulacji  (sprawdzić  czy  układ  jest

odłączony od sieci zasilającej),

4) zbadać właściwości dynamiczne obiektu włączając ręcznie uzwojenie grzejnika,
5) zdjąć charakterystykę obiektu

= f(t),

6) powtórzyć pomiary dla innej mocy grzejnika i dla innego umiejscowienia czujnika

temperatury,

7) wyjaśnić różnice przebiegu otrzymanych krzywych

= f(t),

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

8) określić wartość temperatury zadanej

równej w przybliżeniu połowie wartości

maksymalnej, dla grzejnika o mniejszej mocy,

9) połączyć układ dwustawnej regulacji temperatury według załączonego schematu na rys.

do ćwiczenia,

10) zgłosić gotowość wykonania ćwiczenia prowadzącemu,
11) przystąpić, po sprawdzeniu poprawności projektu i połączeń przez nauczyciela oraz

otrzymaniu zezwolenia, do sprawdzenia poprawności działania układu,

12)  zarejestrować wahania temperatury i napięcia grzejnika,
13)  zmienić moc grzejnika oraz umiejscowienie czujnika,
14)  obserwować wpływ powyższych zmian na amplitudę wahań temperatury rejestrowanej,
15)  powtórzyć  pomiary  dla  wartości  zadanej

większej i mniejszej o 30% od

dotychczasowej wartości zadanej,

16)  narysować na papierze milimetrowym otrzymane przebiegi regulacji temperatury,
17)  odczytać z wykresu okres zmian, amplitudę zmian,
18)  wyznaczyć wartość średnią temperatury dla wartości zadanych,
19)  porównać i uzasadnić otrzymane wyniki i wykresy,
20)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

Wyposażenie stanowiska pracy:

—

piec elektryczny,

—

termoelement,

—

wzmacniacz,

—

przekaźnik,

—

miernik uniwersalny,

—

stoper,

—

przewody łączące,

—

papier milimetrowy,

—

przybory do pisania i rysowania,

—

literatura wskazana przez nauczyciela.

Ćwiczenie 2

Zmontuj i zbadaj układ regulacji dwustawnej poziomu cieczy w zbiorniku z wypływem

wymuszonym.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się materiałem teoretycznym dotyczącym regulatorów dwustawnych,
2)  przygotować stanowisko do pracy,
3)  zapoznać się ze sposobem użycia rejestratora,
4)  zapoznać  się  ze  strukturą  regulatora,  rodzajem  i  zakresem  nastaw  oraz  możliwością

wyłączenia korekcyjnego sprzężenia zwrotnego,

5)  zmontować układ do zdejmowania charakterystyki statycznej regulatora,
6)  dokonać pomiarów a wyniki zanotować w przygotowanej tabelce,
7)  wykreślić charakterystykę statyczną regulatora bez korekcyjnego sprzężenia zwrotnego,

8) wyznaczyć zakres strojenia histerezy H,
9) sporządzić charakterystykę u

śr

= f(ε) dla kilku nastaw regulatorów [u

śr

= t

/(t

+ t

)],

10) wyznaczyć charakterystykę skokową obiektu przeznaczonego do współpracy

z regulatorem dwustawnym,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

11) połączyć układ regulacji z możliwością rejestracji przebiegu poziomu cieczy

w zbiorniku,

12) zanotować czasy załączenia i wyłączenia regulatora oraz amplitudę oscylacji,
13) zarejestrować przebiegi poziomu cieczy dla różnych wartości histerezy H regulatora oraz

wielkości natężenia strumienia wypływającego cieczy,

14) sporządzić dokumentację techniczną z wykonanych badań,
15) sporządzić wnioski z przeprowadzonych badań.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

regulator dwustawny (alternatywnie regulator wielofunkcyjny lub sterownik PLC),

−

instalacja zbiornika cieczy z wypływem wymuszonym,

−

poziomomierz pływakowy,

−

instrukcje obsługi, karty katalogowe, Dokumentacja Techniczno-Ruchowa urządzeń,

−

miernik uniwersalny (alternatywnie układ do rejestracji zmiennych procesowych, np.
miernik uniwersalny z interfejsem, komputer z oprogramowaniem, drukarka),

−

rejestrator,

−

stoper,

−

przybory do pisania i rysowania,

−

literatura wskazanaprzez nauczyciela.

Ćwiczenie 3

Wykonaj badanie układu regulacji trójstawnej i krokowej oraz wpływu parametrów

poszczególnych elementów na jakość regulacji.

Rysunek do ćwiczenia 3.

Układ regulacji z regulatorem krokowym: 1 – wzmacniacz,
2, 3 – styczniki, 4 – piec, 5 – silnik nawrotny, 6 – zawór
[1 s. 222]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,
2) zapoznać się z właściwościami układu badanego w ćwiczeniu (funkcjami, sposobem

łączenia elementów, możliwością rejestrowania przebiegów),

3)  zapoznać się ze sposobem użycia rejestratora,
4)  zapoznać się z dokumentacją i konstrukcją regulatora,
5)  przygotować układ do badań,
6)  wyznaczyć zakres nastaw: strefy nieczułości Δ i histerezy H w elemencie trójstawnym,
7)  zapoznać się z silnikiem współpracującym z regulatorem trójstawnym,
8)  wyznaczyć  czas  przejścia  pełnego  zakresu  przez  silnik  współpracujący  z  regulatorem

trójstawnym,

9)  wyznaczyć charakterystykę statyczną i dynamiczną serwomechanizmu przekaźnikowego,
10)  zbadać wpływ parametrów strefy nieczułości Δ i histerezy H na właściwości silnika,
11)  wyznaczyć  dla  regulatora  krokowego  w  układzie  otwartym  charakterystykę

impulsowania–wypełnienie t

/(t

+ t

) w funkcji uchybu ε (t

, t

–czasy załączenia

i wyłączenia wyjścia przełączanego w jednym okresie impulsowania),

12) zbadać wpływ parametrów Δ i H i nastaw dynamicznych na kształt charakterystyki

impulsowania,

13) wyznaczyć czas przejścia pełnego zakresu przesunięcia silnika współpracującego

z regulatorem krokowym,

14) zarejestrować odpowiedź obiektu na skokową zmianę wartości zadanej oraz na zmianę

zakłócenia w obiekcie dla układu z regulatorem krokowym,

15)  sformułować wnioski,
16)  wykonać dokumentację ćwiczenia,
17)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

regulator trójstawny (alternatywnie regulator wielofunkcyjny wraz z oprogramowaniem
do konfigurowania regulatora lub sterownik PLC),

−

obiekt regulacji (piec ogrzewany gazem),

−

silnik,

−

instrukcje obsługi, karty katalogowe, Dokumentacja Techniczno–Ruchowa (DTR),

−

miernik uniwersalny,

−

rejestrator (alternatywnie układ do rejestracji zmiennych procesowych, np. miernik
uniwersalny z interfejsem, komputer z oprogramowaniem, drukarka),

−

stoper,

−

przybory do pisania i rysowania,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.9.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) zaprojektować układ regulacji dwustawnej temperatury?



2) wyjaśnić wpływ histerezy regulatora dwustawnego na działanie

układu regulacji automatycznej?



3) wyznaczyć z przebiegów regulacji temperatury w układzie regulacji

dwupołożeniowej amplitudę oscylacji, częstotliwość oscylacji, histerezę
przekaźnika?



4) zmontować prosty układ regulacji temperatury?



5) skonfigurować regulator trójstawny w regulatorze wielofunkcyjnym?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.10. Instalacja i obsługa urządzeń regulacji

4.10.1. Materiał nauczania

Aparatura regulacyjna montowana jest w szafach i na stojakach w odpowiednich

pomieszczeniach  lub  w  pobliżu  obiektów.  Konstrukcje  urządzeń  montowanych  obok
obiektów  są  dostosowane  do  pracy  na  wolnym  powietrzu.  Muszą  być  odporne  na  działanie
wilgoci,  pyłów,  gazów,  zmiany  temperatury.  W  związku  z  tym  stosuje  się  różnego  rodzaju
uszczelnienia  i  zabezpieczenia  przed  czynnikami  zewnętrznymi.  W  trakcie  instalowania
należy  przestrzegać  zaleceń  producentów.  Dotyczy  to  również  dokładnego,  zgodnego
z  dokumentacją  wykonania  połączeń.  Należy  uważać  aby  przewodów  sygnałowych  nie
poprowadzić  obok  przewodów  zasilających.  Przewody  sygnałowe  powinny  być  prowadzone
innymi  trasami  niż  przewody  zasilające  dla  zmniejszenia  zakłóceń  przenoszonych  przez
pojemności  i  indukcyjności  wzajemne.  W  wielu  układach  stosowane  są  filtry
przeciwzakłóceniowe,  układy  ograniczające  wartość  napięć  i  układy  ograniczające  wartości
prądów. Układy ograniczające wartość napięć zabezpieczają urządzenia przed uszkodzeniami
w  razie  przypadkowego  dołączenia  zbyt  wysokiego  napięcia  (np.  zwarcie  z  przewodami
zasilającymi).  W  instalacjach  wymagających  zabezpieczenia  przeciwwybuchowego,  układy
ograniczające  wartość  prądów  uniemożliwiają  powstanie  iskry  w  przypadku  zwarcia
przewodów sygnałowych.

Przy montażu urządzeń pneumatycznych należy szczególnie starannie wykonać

połączenia ponieważ ich szczelność ma wpływ na poprawną pracę układów pneumatycznych.
W  trakcie  instalacji  urządzeń  pneumatycznych  należy  zachować  maksymalną  czystość.
Zastosowanie  zanieczyszczonych  przewodów  w  trakcie  montażu  może  doprowadzić  do
zanieczyszczenia  wodą, pyłem urządzeń pneumatycznych, które będą wymagały demontażu,
czyszczenia  i  ponownego  montażu.  Należy  zachować  odpowiednio  duże  łuki  zagięć
przewodów pneumatycznych, aby nie utrudniać przepływ powietrza. W związku z tym należy
odpowiednio rozmieścić urządzenia i trasy prowadzenia przewodów.

Montaż mierników, regulatorów odbywa się w szafach lub tablicach za pomocą

uchwytów i elementów łączących zgodnie z dokumentacją. Należy zwracać uwagę na
wypoziomowanie montowanej aparatury oraz zamocowanie jej zgodnie z podaną pozycją
pracy.

Od umiejętności montażu przyrządów pomiarowych zależy, w dużym stopniu, poprawna

praca urządzeń automatyki. Najlepiej jest dokonywać montażu ściśle według wskazań
producentów aparatury kontrolno-pomiarowej. Podczas instalacji czujników pomiarowych
należy m.in. przestrzegać następujących zasad:

−

instalowany czujnik nie może zmieniać warunków pracy obiektu (wymiary czujnika
powinny być dobrane do wymiarów obiektu),

−

wynik pomiaru musi być reprezentatywny dla wielkości kontrolowanej (należy wybrać
odpowiednie miejsce na zainstalowanie czujnika),

−

miejsce  i  sposób  instalacji  czujnika  należy  wybrać  z  uwzględnieniem  warunków
wynikających  z  fizycznej  zasady  pomiaru,  np.  przepływomierze  powinny  być
instalowane w prostoliniowym odcinku rurociągu.
Montaż  czujników  i  przyrządów  pomiarowych,  w  przypadku  gdy  mierzone  środowisko

charakteryzuje się następującymi cechami: zanieczyszczeniami cieczy i gazów,
właściwościami korozyjnymi, właściwościami trującymi, wysoką temperatura i ciśnieniem,
wymaga spełnienia specjalnych warunków.

Jeżeli w mierzonym medium występują zanieczyszczenia to należy stosować urządzenia

umożliwiające okresowe lub ciągle czyszczenie elektrod oraz przedmuchiwanie przewodów

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

sygnałowych. W przypadku środowiska o właściwościach korozyjnych należy stosować
przyrządy i czujniki w odpowiednio dobranych osłonach.

Na rys. 49 przedstawiono przykład pomiaru cieczy silnie reagującej chemicznie

znajdującej się w zbiorniku ciśnieniowym. W celu chronienia manometru różnicowego
umieszczono na jednym poziomie naczynia oddzielające wypełnione płynem chroniącym
przed szkodliwym wpływem substancji zawartej w zbiorniku.

Rys. 49. Pomiar poziomu cieczy silnie reagującej: 1 – naczynia oddzielające, 2 – ciecz chroniąca [10, s. 510]

Na rys. 50 przedstawiono sposób instalacji manometru w przewodzie rurowym,

w  którym  znajduje  się  sprężony  gaz  o  wysokiej  temperaturze.  Aby  umożliwić  dostateczne
odprowadzenie  ciepła  skręcono  przewód  połączeniowy.  Zainstalowany  zawór  trójdrożny
służy  do  dołączania  manometru  wzorcowego  lub  do  przedmuchiwania  przewodu
połączeniowego.

Rys. 50.

Pomiar ciśnienia gorącego gazu: 1 – manometr, 2 – przewód rurowy,
3 – przewód połączeniowy, 4 – zawór trójdrożny [10, s. 510]

Przy instalowaniu czujników temperatury (termoelektrycznych i oporowych – rys. 51)

należy:  izolować  cieplnie  wystające  części  osłony  czujnika  aż  do  głowicy,  odpowiednio
głęboko  zanurzyć  czujnik  w  ośrodku  mierzonym  (cały  czujnik  powinien  być  umieszczony
w  stałej  temperaturze),  stosować  możliwie  najdłuższe  czujniki,  w  rurociągach  o  małym
natężeniu  przepływu  gazu  instalować  czujnik  na  odcinku  rurociągu  o  zmniejszonym
przekroju  (zwiększa  się  intensywność  przejmowania  ciepła),  stosować  ekrany  chroniące
osłony czujników przed promieniowaniem cieplnym mierzonego ośrodka.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 51. Prawidłowy sposób instalowania czujników temperatury: a) na prostym

odcinku rurociągu, b) na kolanie rurociągu [1, s. 97]

4.10.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jak należy prowadzić przewody sygnałowe i zasilające aby zmniejszyć zakłócenia?
2.  Dlaczego należy zachować dostatecznie duże łuki zagięć przewodów pneumatycznych?
3.  Jakie jest przeznaczenie układów ograniczających wartość napięć?
4.  W jakim celu instaluje się układy ograniczające wartości prądów?
5.  Jakie zasady należy przestrzegać przy montażu czujników?
6.  Jakie  należy  stosować  urządzenia  w  przypadku  instalacji  przyrządów  pomiarowych

w środowisku zanieczyszczonym lub chemicznie agresywnym?

7. W jaki sposób chroniony jest manometr w trakcie pomiaru cieczy agresywnej chemicznie

w zbiorniku ciśnieniowym?

4.10.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Na rysunku poniżej przedstawiono sposób zainstalowania czujnika oporowego do

pomiaru temperatury gazu w rurociągu. Określ czy podany przykład budowy gniazda
czujnika zapewni prawidłowy pomiar temperatury gazu? Odpowiedź uzasadnij.

Rysunek do ćwiczenia 1. Budowa gniazda czujnika oporowego: 1 – korpus (osłona) czujnika, 2 – dospawana

rura [10, s. 511]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeanalizować zasady montażu czujników i przyrządów pomiarowych,
2)  ocenić poprawność budowy gniazda czujnika rezystancyjnego,
3)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

treść zadania dla każdego ucznia,

–

materiały i przybory do pisania,

–

literatura wskazana przez nauczyciela.

Ćwiczenie 2

Na rysunku poniżej przedstawiono różne zakończenia przewodu sygnałowego.

Przeanalizuj, które zakończenie jest prawidłowe w przypadku gdy:

−

przyrządem pomiarowym jest manometr różnicowy mierzący bardzo małą różnicę
ciśnienia między wnętrzem przewodu (część zakropkowana) i otaczającą atmosferą,

−

przyrządem odbiorczym jest sygnalizator spalin.

Rysunek do ćwiczenia 2[9, s. 511]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować rysunek pod kątem zakłóceń powodujących fałszywy odczyt,
2) wybrać prawidłowe zakończenie przewodu sygnałowego w przypadku instalowania

manometru różnicowego,

3) przeanalizować działanie analizatora spalin pod kątem skrócenia jego czasu opóźnienia,
4) wybrać prawidłowe zakończenie przewodu sygnałowego w przypadku instalowania

analizatora spalin,

5) uzasadnić swoje wybory,
6) zaprezentować wykonane ćwiczenie.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

treść zadania dla każdego ucznia,

−

materiały i przybory do pisania,

−

literatura wskazana przez nauczyciela

Ćwiczenie 3

Pomiary natężenia przepływu cieczy, gazów i par wymagają szczególnej staranności. Na

rysunku poniżej zamieszczono szkice instalacji manometru różnicowego dla dwóch
przypadków pomiaru natężenia przepływu za pomocą zwężki:

−

gdy instalowany manometr znajduje się poniżej zwężki,

−

gdy instalowany manometr znajduje się powyżej zwężki.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Uzasadnij poprawność montażu manometru w obu przypadkach oraz wyjaśnij

konieczność instalacji dodatkowych elementów oraz sposób prowadzenia przewodów.

Rysunek do ćwiczenia 3. Pomiar natężenia przepływu cieczy: a) manometr różnicowy

(1) znajduje  się  poniżej  zwężki  (2),  b)  manometr  różnicowy
(1) znajduje  się  powyżej  zwężki  (2);  3  –  przewody  łączące,
4  –  zbiorniki  na  gaz  wydzielany  z  cieczy,  5  –  odprowadzenia
i zawory do przedmuchiwania przewodów sygnałowych [10, s. 512]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować rysunek pod kątem konieczności odprowadzenia pęcherzyków gazu

zawartych w cieczy do rurociągu (zwrócić uwagę na nachylenie przewodów łączących 3
oraz zainstalowanie zbiorników 4),

2) podać jakie skutki pociągnęłoby nie odprowadzenie gazu we wskazaniach przyrządu

pomiarowego,

3)  podać w jakim celu zainstalowano zawory,
4)  zaprezentować wykonane ćwiczenie,
5)  dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

treść zadania dla każdego ucznia,

−

materiały i przybory do pisania,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

4.10.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak Nie

1) ocenić poprawność budowy gniazda czujnika oporowego?



2) określić zadanie pomiarowe realizowane przez analizator spalin?



3) wyjaśnić dlaczego w układach pomiarowych zakończenie przewodu

sygnałowego ma tak istotne wpływ na wynik pomiaru?



4) wyjaśnić w jakim celu przedmuchuje się przewody sygnałowe?



5) wyjaśnić dlaczego niedopuszczalne są poziome odcinki przewodów

łączących w instalacji do pomiaru natężenia przepływu?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.11. Zabezpieczenia w układach automatyki

4.11.1. Materiał nauczania

W układach automatyki przemysłowej stosuje się dużą grupę urządzeń tworzących

układy  sygnalizacji,  blokad  i  zabezpieczeń.  Funkcją  układów  sygnalizacji  jest  zwrócenie
uwagi  operatora  procesu  przemysłowego  na  zaistnienie  zdarzenia,  które  są  ważne  dla
bezpieczeństwa ludzi, trwałości instalacji, jakości produkcji itp. Układy sygnalizacji możemy
podzielić  na:  sygnalizację  kontrolno-wskaźnikową,  ostrzegawczą  i  awaryjną.  Informacja
o  zaistniałym  zdarzeniu  powinna  niezwłocznie  być  przekazana  do  operatora  w  postaci
sygnału  świetlnego  i/lub  dźwiękowego.  Dla  ułatwienia  odbioru  sygnałów  świetlnych  jest
przyjęty sposób organizacji  „na ciemno” (sygnał  świetny wyłączony –  bieg prawidłowy)  lub
„jasno” (gdy sygnał świetlny znika – należy interweniować).

Montowanie blokad automatycznych ma na celu uniemożliwienie środkami technicznymi

użycie aparatu w warunkach niezgodnych z jego przeznaczeniem, a zagrażającym samemu
aparatowi, otoczeniu jak i bezpieczeństwu użytkownika.

Zabezpieczenia automatyczne mają za zadanie chronić instalację i otoczenie przed

szkodliwymi warunkami eksploatacji zabezpieczanego aparatu. Najczęściej polega to na
wymuszeniu stanu uznanego za bezpieczny bez możliwości samoczynnego wyjścia z tego
stanu po zaniknięciu zagrożenia (zabezpieczenia przeciwzwarciowe i termiczne).

Coraz częściej zastosowanie mają urządzenia i układy automatyki w sprzęcie

powszechnego użytku. Są to urządzenia zautomatyzowane. W urządzeniach tych mogą
występować niebezpieczne napięcia stałe i przemienne, wysoka temperatura, gaz, a także inne
czynniki. Wymagają one wyposażenia w układy automatyki, aby niemożliwe było:

−

porażenie prądem,

−

oparzenie,

−

powstanie pożaru,

−

zatrucie gazem i spalinami lub inne urazy mechaniczne.

W celu ochrony przed porażeniem prądem elektrycznym stosowane są przekaźniki

przeciwporażeniowe różnicowoprądowe.

W celu niedopuszczenia do powstania urazów mechanicznych stosuje się układy

uniemożliwiające dostęp do ruchomych bądź niebezpiecznych elementów (blokady) oraz
układy wyłączające urządzenia z chwilą otwarcia osłon (roboty kuchenne) lub pokryw (pralki,
zmywarki).

W celu ograniczenia możliwości powstania oparzeń stosuje się układy sygnalizujące

występowanie na powierzchni urządzeń wysokiej temperatury.

Układy ograniczające możliwość powstania pożaru mogą wyłączać urządzenia

elektryczne pozostawione bez dozoru. Dla zapewnienia bezpieczeństwa przeciwpożarowego
stosuje się układy sygnalizujące występowanie wysokiej temperatury lub obecność dymu
w pomieszczeniach. Układy te mogą być sprzężone funkcjonalnie z instalacją gaszącą.

Układy zabezpieczające przed wypływem z instalacji nie spalonego gazu i spalin to:

−

układy kontroli płomienia,

−

układy nadzoru drogi spalin.
W układzie nadzoru płomienia pilotującego (rys. 52) złącze dwóch metali jest

umieszczone  w  płomieniu,  które  po  podgrzaniu  wytwarza  niewielkie  napięcie  ok.  1,5  V.
Napięcie  to  zasila  cewkę  elektromagnesu,  która  przytrzymuje  zworę  połączoną  z  zaworem
bezpieczeństwa.  Gdy  zgaśnie  płomień  –  zanika  napięcie  i  zwora  nie  jest  przyciągana  przez
elektromagnes.  Momentalnie  zamyka  się  zawór  bezpieczeństwa.  Ponowne  uruchomienie

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

następuje po naciśnięciu przycisku P i zapaleniu płomienia pilotującego; po ok. 20 sek.
potrzebnych do ogrzania złącza należy zwolnić przycisk.

Rys. 52.

Sposób nadzoru płomienia pilotującego [2, s. 52]

W układzie zabezpieczenia przed wypływem nie spalonego gazu (rys. 53) wykorzystano

zjawisko jonizacji występujące w płomieniu. Powoduje ono, że podczas palenia się
płomienia, pomiędzy elektrodą a korpusem palnika występuje pewna skończona rezystancja,
która umożliwia przepływ prądu. Jeżeli wartość prądu wynosi ok. 10 μA to płomień się pali.
Układ elektroniczny mierzy wartość tego prądu i jeżeli jego wartość spadnie poniżej
opuszczalnej granicy to zamknie dopływ gazu do palnika.

Rys. 53.

Sposób zabezpieczenia przed wypływem nie spalonego gazu [2, s. 52]

Ponieważ w układzie brak płomienia pilotującego ponowny rozruch dokonuje specjalny

układ sterowania sekwencyjnego (rys. 54).

Rys. 54. Algorytm działania układu sterowania sekwencyjnego rozruchem [2, s. 53]

Urządzenia elektroniczne stosuje się w systemach alarmowych, które mają za zadanie

wykrywanie i sygnalizowanie nienormalnych warunków spowodowanych zaistniałym

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

niebezpieczeństwem. Systemy pełnej sygnalizacji, ze względu na rodzaj zagrożenia, dzielimy
na:

−

systemy sygnalizacji włamania i napadu,

−

systemy telewizji użytkowej,

−

systemy ochrony peryferyjnej,

−

systemy sygnalizacji pożaru.
Urządzenia alarmowe stosowane w powyższych systemach alarmowych podzielono

na następujące klasy:

−

klasa A – popularne,

−

klasa B – standardowe,

−

klasa C – profesjonalne,

−

klasa S – specjalne.
Czujniki włamaniowe stosowane w poszczególnych klasach mają specjalne układy, które

spełniają wymagania bezpieczeństwa poszczególnych systemów oraz chronionych obiektów.
Dotyczy to między innymi odporności na zakłócenia elektromagnetyczne, ochrony
przeciwsabotażowej, czasu sygnalizacji zakłócenia, sposobu montażu i warunków stosowania
urządzeń alarmowych.

Do wykrywania ruchu człowieka stosuje się następujące czujki:

−

pasywne podczerwieni, w których czujnik pyroelektryczny wykrywa obecność człowieka
jako zmianę promieniowania cieplnego,

−

mikrofalowe ruchu, w których do wykrywania poruszających się obiektów wykorzystano
fale elektromagnetyczne,

−

zespolone (dualne), złożone z detektora podczerwieni pasywnej i detektora mikrofali.
Do ochrony okien i drzwi stosuje się czujki magnetyczne stykowe, składające się

z dwóch elementów – magnesu i kontaktronu. Stosowane są także czujki stłuczenia szyby
reagujące na drgania mechaniczne szyby podczas uderzenia (czujki pasywne) oraz reagujące
na hałas tłuczonego szkła (czujki aktywne).

4.11.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jaka funkcję pełnią układy sygnalizacji?
2.  Jaki jest cel stosowania zabezpieczeń automatycznych?
3.  W  jaki  sposób  informacja  o  zaistniałym  zdarzeniu  jest  sygnalizowana  operatorowi

procesu?

4.  Jak klasyfikujemy systemy alarmowe ze względu na zagrożenia?
5.  Jakie wymagania powinny spełniać czujniki antywłamaniowe i od czego one zależą?
6.  Na jakiej zasadzie działają czujki stosowane do wykrywania ruchu?
7.  Na jakiej zasadzie działają czujki tłuczonej szyby?
8.  Jakie układy stosuje się w systemach zabezpieczeń urządzeń powszechnego użytku?
9.  Jakie układy stosuje się dla zapewnienia bezpieczeństwa przeciwpożarowego?
10.  Jakie  czujniki  stosowane  są  w  instalacjach  elektrycznych  w  celu  ochrony  przed

porażeniem?

11. Jak działa układ nadzoru płomienia pilotującego?
12. W jaki sposób odbywa się ponowny rozruch układu zabezpieczającego przed wypływem

nie spalonego gazu?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.11.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Zbadaj zabezpieczenia zwarciowe i przeciążenowe w układach zasilających ze

stabilizacją napięcia.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przygotować stanowisko do pracy,
2) zapoznać się z opisem oraz danymi technicznymi regulowanego zasilacza

stabilizowanego,

3) zmontować układ do pomiaru napięcia wyjściowego przy U

= const,

4) wykonać pomiary dla dwóch różnych wartości U

5) wyniki pomiarów zestawić w tabelce,
6) narysować wykresy zmian U

= f(I

) dla dwóch różnych wartości U

7)  opracować wyniki,
8)  dokonać oceny zadziałania zabezpieczenia zwarciowego i przeciążeniowego,
9)  zaprezentować ćwiczenie.

Wyposażenie stanowiska pracy:
zasilacz laboratoryjny regulowany z miernikiem napięcia i prądu,

—

multimer U / I / DC–2 szt.,

—

rezystor regulowany 150 Ω/2 A,

—

zestaw przewodów połączeniowych,

—

instrukcja zasilacza, karta katalogowa,

—

materiały i przybory do pisania,

—

literatura wskazana przez nauczyciela.

Ćwiczenie 2

Rozpoznaj czujki alarmowe. Określ ich dane techniczne oraz zasady instalacji.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przygotować stanowisko do pracy,
2)  określić rodzaje czujek,
3)  podać nazwę producenta,
4)  podać ich dane techniczne,
5)  porównać ceny poszczególnych czujek,
6)  podać wymagania dotyczące montażu oraz warunki stosowania,
7)  określić zasadę ich działania,
8)  zaprezentować efekty swojej pracy,
9)  dokonać oceny ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

czujki: ruchu, dymu, wysokiej temperatury,

−

karty katalogowe,

−

komputer osobisty z dostępem do Internetu,

−

norma PN 93/E–08390: Systemy alarmowe,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

kartki papieru A4

−

przybory do pisania,

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

Ćwiczenie 3

Przygotuj prezentację multimedialną dotyczącą czujników jednego wybranego typu (np.

czujników dymu, czujników spalin, czujników ruchu, itp.). Powinna ona stanowić przegląd
dostępnych na rynku rozwiązań czujników oferowanych przez różnych producentów.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  dokonać poszukiwań w różnych źródłach informacji,
2)  wykonać prezentację multimedialną w programie PowerPoint pakietu Microsoft Office,
3)  dokonać prezentacji swojej pracy,
4)  dokonać oceny ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

katalogi, dokumentacja techniczna,

−

publikacje w specjalistycznych pismach,

−

komputer osobisty z dostępem do Internetu,

−

skaner,

−

dyskietka (płyta CD),

−

literatura wskazana przez nauczyciela.

4.11.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

wyjaśnić zasadę działania czujek ruchu?



scharakteryzować zasady montażu urządzeń alarmowych?



wyjaśnić zasadę działania układu nadzoru płomienia pilotującego?



wskazać układy zabezpieczające w sprzęcie gospodarstwa domowego?



podać jakie zabezpieczenie przeciwzwarciowe i przeciążeniowe
zastosowano w regulowanym zasilaczu stabilizowanym?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA

1.  Przeczytaj uważnie instrukcję.
2.  Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.
3.  Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.
4.  Test  zawiera  20  zadań  o  różnym  stopniu  trudności:  zadania  5,  6,  8  i  15  są  z  poziomu

ponadpodstawowego, a pozostałe – z poziomu podstawowego. Wszystkie zadania są
zadaniami wielokrotnego wyboru i tylko jedna odpowiedź jest prawidłowa.

5. Udzielaj odpowiedzi tylko na załączonej karcie odpowiedzi – zaznacz prawidłową

odpowiedź znakiem X (w przypadku pomyłki należy błędną odpowiedź zaznaczyć
kółkiem, a następnie ponownie zakreślić odpowiedź prawidłową).

6. Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania.
7. Kiedy udzielenie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, wtedy odłóż jego

rozwiązanie na później i wróć do niego, gdy zostanie Ci czas wolny. Trudności mogą
przysporzyć Ci zadania: 5, 6, 8 i 15, gdyż są one na poziomie trudniejszym niż pozostałe.
Przeznacz na ich rozwiązanie więcej czasu.

8. Na rozwiązanie testu masz 40 minut.

Powodzenia!

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

1. Standardowym sygnałem elektrycznym nie jest sygnał

a)  0–5 mA.
b)  20–100 mA.
c)  0–20 mA.
d)  4–20 mA.

2. Czujki pyroelektryczne służą do

a)  wykrywania obecności człowieka.
b)  wykrywania spalin.
c)  ochrony drzwi i okien.
d)  sygnalizacji pożaru.

3. Sygnałem pneumatycznym standardowym jest sygnał o wartości z zakresu

a)  0–50 kPa.
b)  0–100 kPa.
c)  10–100 kPa.
d)  20–100 kPa.

4. Do elementów automatyki nie zalicza się

a)  przekaźnika.
b)  silnika.
c)  zaworu.
d)  stacyjki komputerowej.

5. Regulatory które sprowadzają uchyb regulacji w stanie ustalonym do zera to

a)  P i PI.
b)  P i PD.
c)  PI i PID.
d)  PI i PD.

6. Czujniki do pomiaru temperatury które wykorzystują zjawisko powstania siły

termoelektrycznej pod wpływem zmiany temperatury to

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

7. Wskaż schemat, przedstawiający układ regulacji automatycznej

8. Pozycjonowanie (regulacja położenia) sań suportu narzędziowego tokarki jest zadaniem

sterowania

a)  stałowartościowego.
b)  sekwencyjnego.
c)  ekstremalnego.
d)  nadążnego.

9. Charakterystykę dynamiczną regulatora PID przedstawia rysunek

10. Do urządzeń automatyki zalicza się

a)  wzmacniacz.
b)  prądnicę.
c)  regulator.
d)  siłownik.

11. Zadanie sterowania realizowane przez termostat to

a)  optymalizacja przy zmiennych warunkach zewnętrznych.
b)  śledzenie i wykonanie programu.
c)  utrzymywanie punktu pracy zapewniającego maksimum wartości temperatury.
d)  utrzymanie stałej wartości temperatury.

12. Układem regulacji dwustawnej nie jest układ

a)  regulacji temperatury żelazka.
b)  regulacji poziomu cieczy w zbiorniku.
c)  regulacji silnika elektrycznego służącego do przestawiania zaworów.
d)  regulacji temperatury w chłodziarce.

13. Pojęcie regulacji dwustawnej odnosi się do sygnału

a)  zadanego.
b)  odchyłki błędu.
c)  sterującego.
d)  regulowanego.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

14. Zasilacz stabilizowany realizuje zadanie sterowania

a)  realizacji zadanego algorytmu zmiany napięcia.
b)  optymalizacji przy zmiennych warunkach zewnętrznych.
c)  nadążnego.
d)  utrzymania stałej wartości napięcia.

15. Zakończenie przewodu sygnałowego przedstawione na rysunku, które jest prawidłowe,

gdy mierzonym medium są spalin to

16. Przebieg, który z przedstawia regulator PD to

17. Systemy pneumatyczne umożliwiają przesył sygnału na odległość do

a)  1 km.
b)  300 m.
c)  3 km.
d)  1,5 km.

18. Organ pomiarowy przetwarza

a)  wielkość zadaną.
b)  wielkość regulowaną na sygnał napięciowy.
c)  wielkość zadaną na sygnał prądowy.
d)  wielkość regulowaną na sygnał dogodny do wprowadzenia do regulatora.

19. Sygnały, które zapewniają większą odporność na zakłócenia to sygnały:

a)  napięciowe:–5–+ 5 V.
b)  napięciowe: 0–10 V.
c)  napięciowe: 0–5 V.
d)  prądowe: 4–20 mA.

20. Organ wykonawczy nie składa się

a)  ze wzmacniacza mocy.
b)  z urządzenia pomiarowego.
c)  z elementu napędowego.
d)  z elementu nastawczego.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

KARTA ODPOWIEDZI

Imię i nazwisko ……………………………………………………..

Instalowanie

urządzeń

automatyki

obsługa

prostych

układów

automatycznej regulacji

Zakreśl poprawną odpowiedź.

zadania

Odpowiedź

Punkty

Razem:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

6. LITERATURA

1. Dębski S.: Pracownia automatyki dla zasadniczych szkół zawodowych. PWSZ,

Warszawa 1973

2. Findeisen Wł. (red.): Poradnik inżyniera automatyka. WNT, Warszawa 1973
3. Hörnemann E., Hübscher H., Klaue J., Schierack K., Stolzenburg R.: Elektrotechnika.

Instalacje elektryczne i elektronika przemysłowa. WSiP, Warszawa 1998

4. Komor Z.: Pracownia automatyki. WSiP, Warszawa 1996
5. Kordowicz–Sot A.: Automatyka i robotyka. Elementy aparatury kontrolno pomiarowej.

WSiP, Warszawa 1999

6. Kordowicz–Sot A.: Automatyka i robotyka. Układy regulacji automatycznej. WSiP,

Warszawa 1999

7. Kostro J.: Elementy, urządzenia i układy automatyki. WSiP, Warszawa 1997
8. Marusak A.: Urządzenia elektroniczne. Cz. III. Budowa i działanie urządzeń. WSiP,

Warszawa 2000

9.  Płoszajski G.: Automatyka. WSiP, Warszawa 1995
10.  Pułaczewski J.: Automatyka. PWSZ, Warszawa 1969
11.  Pułaczewski J.: Automatyka w przemyśle chemicznym. WSiP, Warszawa 1975
12.  Schmid D. (red): Mechatronika. REA, Warszawa 2002
13.  Siemianko Fr., Gawrysiak M.: Automatyka i robotyka. WSiP, Warszawa 1996
14.  Technika sterowników z programowalną pamięcią. WSiP, Warszawa 1998
15.  Technika sterowników z programowalną pamięcią. Ćwiczenia. WSiP, Warszawa 1998
16.  Katalog Dacpolu. Podzespoły do automatyki. 2006