Bevezetés az irányítástechnikába

Történeti áttekintés:

Szerszámok, gépek megjelenése,
Emberi beavatkozást nem igénylő, önműködő berendezések,
Korszerű programozott berendezések,
Ipari robotok.

- 1681, Denis Papin első kezdetleges gőzgép; szivattyú;

- Magyarországon 1722-ben Selmecbányán használtak először gőzgépet;

- Textilipar Angliában; 1723, szövőszék;

- Ipari forradalom, 1750 Anglia;

- 1784 J. Watt gőzgépe (automata szelepvezérlésű);

- 1800-as évek eleje; gőzgépek a közlekedésben. 1825 Anglia, 1846 Magyarország.

- Szerszámgépek megjelenése (1800-as évek eleje) 1806 marógép, gyalugép, eszterga;

- 1846 az első varrógép;

- 1863 turbinarendszerek megjelenése -> villamos energia előállítása -> villanymotor;

- 1825 Jedlik Ányos villanymotorja;

- A transzmissziós hajtást felváltja az egyedi hajtás villanymotorral;

- 1880 Otto; benzinmotor;

- 1897 Diesel; az első kompressziós motor;

- 1920 sorozatban gyártott villanymotorok;

- 1960 NC, CNC gépek megjelenése;

- További információ: http://www.szerszamgepgyartas.hu/

Alapfogalmak, meghatározások:

Irányítástechnika: - tudományág, amely a műszaki folyamatok irányítását tanulmányozza.
Irányítás: – a folyamatokba történő beavatkozás égy bizonyos cél elérésének érdekében. Általában nagy energiájú folyamatokat, kis energiájú hatásokkal befolyásol.
Elem: – irányítástechnikai szempontból tovább nem bontható rész. (pl. hőmérséklet-érzékelő, nyomógomb, ÉS kapu stb.)
Szerv: – irányítási részfeladatot önállóan ellátó egység. Egy vagy több elemből állhat.
Hatáslánc: – a szervek közötti kapcsolat
Jel: – az irányítás szempontjából lényeges információt tartalmazó fizikai mennyiség.

Irányítási rendszer

Az irányítás részműveletei:

- információ-szerzés,

- információ feldolgozás,

- döntéshozatal,

- beavatkozás, végrehajtás.

Osztályozás megvalósítás szerint:

- kézi irányítás,

- önműködő irányítás (emberi beavatkozás nélküli).

Osztályozás a folyamat állapotáról történő értesülés módja szerint:

- vezérlés: - nem értesülünk közvetlenül a beavatkozás eredményéről (nyílt hatáslánc),

- szabályozás: értesülünk a beavatkozás eredményéről (zárt hatáslánc).

Példák:

Szállítószalag kézi és automata (önműködő) vezérlése

Röpsúlyos fordulatszám szabályozás

- a Watt-féle gőzgép fordulatszám-szabályozója.

- a centrifugálinga röpsúlyai érzékelik a fordulatszámot, a hozzákapcsolódó kar pedig zárja a szelepet, ha a fordulatszám elérte a felső határt.

- egyéb példák: hőmérsékletszabályozás, tartály folyadékszint szabályozás, villamos motorok fordulatszám szabályozása, stb.

Jelek

- mérhető fizikai mennyiség, amely az irányítás szempontjából információt tartalmaz.

- Pl. egy tartály folyadékszint szabályozása szempontjából a folyadékszint jelnek tekinthető. De nem jel a folyadék hőmérséklete vagy koncentrációja, mert ezek a szabályozás szempontjából lényegtelenek.

Analóg jelek

- AB időintervallumon belül bárhol felveszünk egy t_i időpillanatot, mindig egy jól meghatározott értéket (Y_i) kapunk. Az analóg jelek tehát folytonosak, étékük lehet állandó vagy változó az adott intervallum alatt. Pl. hőmérséklet, fordulatszám, egyenfeszültség, szinuszosan váltakozó feszültség, stb.

Digitális jelek

- az AB intervallumon belül bárhol felveszünk egy t_i időpillanatot, mindig legfeljebb két jól meghatározott értéket kapunk, egy alsó (Y_L) és egy felső (Y_H) szinthez tartozó értéket. A digitális jel nem folytonos, az átmeneti pontokban (tranzit pontok) nem határozható meg az értéke. Pl. kapcsolók, nyomógombok, mágneskapcsolók jelei.

Mintavételezett jelek

Fontosabb alkalmazási területek:

- lassan változó jelek feldolgozása (pl. hőmérsékletváltozás),

- analóg jelek digitális feldolgozása (AD átalakítók),

- információtovábbítás

Perodikusan változó jelek esetében a Fourier tétel alapján:

bármely folytonos, periodikus jel előállítható különböző frekvenciájú és fázisú szinuszos jelek összegeként (ezek a jelek alkotják a vizsgált jel frekvenciaspektrumát).

Mintavételezett jel visszaalakítása analóg jellé -> SHANNON tétel:

- a mintavételezett jel információvesztés nélkül visszaállítható, ha a mintavételezési frekvencia (f_m) legalább kétszer nagyobb, mint a jel frekvenciaspektrumában szereplő legmagasabb frekvenciájú jel frekvenciája (f_max).

; ahol ; T_m a mintavételezés periódusa

Vezérléstechnika

- a vezérlést nyitott hatáslánc jellemzi: az irányított jellemző nem hat vissza az irányítási folyamatra.

- a hatáslánc mentén a jelek csak egy irányban terjednek.

- vezérelt berendezés: - a vezérléstől függetlenül meglévő műszaki létesítmény, amely a vezérlés tárgyát képezi.

- vezérlő berendezés: azon szervek összessége, amelyek révén a vezérlés megvalósul.

- érzékelő szerv: - az információ szerzés eszköze, amely a folyamat állapotáról egyértelműen meghatározható jelet szolgáltat. (hőmérséklet, nyomás, elmozdulás, gyorsulás, stb.)

- rendelkező szerv: - az érzékelők kimenő jeleinek hatására, a kezelő személy közreműködésével, az irányítóelemek segítségével a műveletek elvégzése után létrehozza a rendelkező jelet.

- erősítő szerv: - a bemenő jelének hatására a külső segédenergia felhasználásával a rendelkező jelnél nagyobb energiájú kimenő jelet ad a beavatkozónak.

- beavatkozó szerv: - az a berendezés, amely képes megváltoztatni a folyamat állapotát.

A vezérlési vonal jellemzői: - azok az állapothatározók, amelyek a vezérelt folyamat állapotát jellemzik. A jellemzők fizikai értéke vagy értékváltozása a jel.

- vezérelt jellemző: - a folyamat azon jellemzője, amelyet a vezérléssel tudunk változtatni.

- módosított jellemző: - a vezérelt jellemzőt a vezérlési feladat teljesítése végett befolyásolja.

- zavaró jellemző: - a vezérelt berendezésre ható, az irányítástól független jellemző, amely a folyamatot nem kívánt módon befolyásolja.

A vezérlési vonal ( hatáslánc) jelei:

- vezető jel: - a rendelkező szerven belüli irányítóelemek jele, amely elindítja, befolyásolja, vagy leállítja a vezérlési műveletet.

- rendelkező jel: - a rendelkező szerven belül végbemenő műveletek eredményeként jön létre.

- beavatkozó jel: - felerősített rendelkező jel

A vezérlések osztályozása

Vezérlés: - kézi

- önműködő: - követő vezérlés (a vezető jel határozza meg a rendelkező jelet)

- programozott vezérlés: - időterv vezérlés

- lefutó vezérlés

Beavatkozó szervek

- a vezérlési hatáslánc utolsó eleme, amely képes hatást gyakorolni a folyamat állapotára.

Fontosabb beavatkozók:

- mágneskapcsolók,

- relék,

- mágnesszelepek,

- villamos motorok,

- pneumatikus munkahengerek,

- hidraulikus munkahengerek.

Mágneskapcsolók

- egyen- vagy váltakozó áramú elektromágnes (vasmagos tekercs) rugó ellenében működteti a fegyverzeteket.

- rendszerint 4 de legalább 3 villamos teljesítmény-átvitelre alkalmas főérintkezőt és egyéb vezérlési célokra felhasználhat segédérintkezőket (2 záró, 2 bontó) tartalmaz.

- jelölésük villamos áramkörökben:

Relék

- működési elve megegyezik a mágneskapcsolóéval, de nincsenek főérintkezői. Az elektromágnes áram hatására magához vonzza a rugó ellenében mozgó fegyverzetet, így a záró érintkezők zárják, a bontó érintkezők pedig bontják a vezérlési áramkört. Főleg vezérlési célokra használják.

- szerkezeti felépítés: (Balázs L. Automatika)

- kivitelezési formák:

- jelölése:

Hőrelék:

- villamos berendezésék, főleg motorok túláramvédelmét biztosítja;

- felépítése: - áramtekercs,

- bimetall lemez (ikerfém) – két különböző hőtágulási együtthatójú fémréteg alkotja (Balázs L. Automatika),

- áramhatár beállító

- kioldó mechanizmus.

A főáramkörbe sorosan kapcsolt áramtekercsen áthaladó áram fűti a bimetall lemezt, amely túláram eseté a kisebb hőtágulási együtthatójú réteg irányába elhajlik és bontja a mechanikai reteszt. Bontó és záró érintkezőkkel egyaránt rendelkezhet.

- kivitelezési formái:

hőrel_jel

- áramköri jelölések:

Időrelék:

- egy folyamatot egy megelőző folyamathoz képest meghatározott időtartammal késlelteti;

- az időzítések típusai a gerjesztés kezdete és megszűnése szerint:

Kivitelezési formái: - elektromechanikus, óraszerkezettel ellátott időrelé (több óra késleltetés),

- elektronikus időrelék (1s – 10perc).

…….- digitális időrelék. (0,01s – több óra)

Mágnesszelepek

- villamos működtetésű nyitó-záró szelepek.

- felépítési és működési vázlat (Balázs L. Automatika):

Motoros szelepek, tolózárak:

- rendszerint szelep- és véghelyzet érzékelővel vannak ellátva;

- szervomotoros hajtás;

- segédenergia kimaradása esetén kézzel is működtethető

Villamos motorok (lásd Elektro- és irányítástechnika I. félév)

- háromfázisú aszinkron motorok,

- egyenáramú motorok, szervomotorok,

- léptető motorok.

Pneumatikus munkahengerek

- A pneumatikában a legfontosabb működtető szerkezet, végrehajtó elem a munkahenger.

- A munkahenger egy olyan energia-átalakító eszköz, amely az áramló közeg (levegő) nyomásának energiáját alakítja át lineáris vagy forgó mozgássá.

Egyszeres működtetésű munkahenger

- csak az egyik hengertér kap energiaellátást;

- csak egy mozgásirányban végezhetnek munkát, a másik mozgásirányban rugóerő biztosítja a dugattyúmozgást.

- felépítési vázlat (Festo Didactic):

- jelölés:

Kettős működtetésű munkahenger

- a levegő energiája a dugattyút két irányban mozgatja;

- ott alkalmazzák, ahol a dugattyúnak visszafutáskor is munkát kell végeznie.

- felépítési vázlat (Festo Didactic):

- jelölés:

További információ: http://www.pneuplus.hu/pneumatika_oktatas_files/Pneumatikus_munkahengerek.pdf

Érzékelők és átalakítók (szenzorok)

- az irányított folyamat jeleit mérik, és rendszerint átalakítják villamos mennyiséggé (feszültség, áram, ellenállás, stb.)

- felépítésük és működésük szerint lehetnek: - mechanikus érzékelők,

- optikai érzékelők,

….- ellenállásváltozáson alapuló érzékelők

- induktív érzékelők,

- kapacitív érzékelők,

- ultrahangos érzékelők.

Mechanikus érzékelők

- helyzetkapcsolók, végállás-kapcsolók;

- haladó mozgást végző gépelemek helyzeteinek érzékelése, túlfutás megelőzése;

- egyszerű görgős működtetésű, 1 nyitó és egy záró érintkezőt tartalmaz

Optikai érzékelők

- fényérzékenységen alapuló érzékelők: - fotoellenállás,

- fotodióda,

- fototranzisztor.

Fotoellenállás: -záróréteg nélküli félvezető elem, amelynek fény hatására változik az ellenállása (csökken)

- anyaga: szelén, ólom szulfid, kadmium szulfid, ólom szelenid

- tipikus karakterisztika:

- alkalmazás: viszonylag nagy tehetetlensége miatt lassú változásokat igénylő szabályozásokban és vezérléstechnikai feladatokban.

Fotodióda: - különleges felépítésű Si vagy Ge félvezető diódák, amelyeknek PN átmenetét megvilágítva záróirányú áramuk növekszik.

A záróirányú áram arányosan növekszik a megvilágítással (E);

Legfontosabb jellemzője a fényérzékenység (S);

Egyéb jellemzők: - sötétáram – megvilágítás nélküli áramérték; tipikus értéke 1nA Si fotodiódánál;

- maximális érzékenység hullámhossza; Si diódáknál λ = 0,85μm;

- határfrekvencia; kb. 1MHz (Si dióda);

Fototranzisztor: - kollektor-bázis átmenete fotodiódaként működik. A záróirányban előfeszített PN átmenet megfelelő megvilágítása esetén a fellépő fényelektromos hatás lévén keletkező töltéshordozók megnövelik az ICBo kollektor-bázis átmenet záróirányú áramát, amely áram megjelenik a kollektor körben.

- fényérzékenysége jóval nagyobb mint a fotodiódáé;

- jelleggörbéje: