automatizace - itrivioapp.itrivio.cz/download-ext/90/6230/automatizace-e...automatizace 3 Úvod tyto...
TRANSCRIPT
Automatizace
„Najdi si cestu k technice“
Lektor: Mgr. Petr Matyáš
Technické dotazy: [email protected]
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
„Najdi si cestu k technice“ reg. č. CZ.1.07/1.1.16/01.0006
AUTOMATIZACE
2
Obsah
Automatizace......................................................................................................................... 1
Obsah ..................................................................................................................................... 2
Úvod ....................................................................................................................................... 3
1 Automatizace procesů .................................................................................................. 4 1.1 Prvky pro získávání informací – snímače .................................................................. 4 1.1.1 Poţadavky na snímače ................................................................................................ 4 1.1.2 Kontrolní otázky ......................................................................................................... 7
1.2 Regulátory ..................................................................................................................... 8 1.3 Regulační obvody se spojitými regulátory ............................................................... 10 1.3.1 Proporcionální regulátor P ........................................................................................ 10 1.3.2 Integrační regulátor – I ............................................................................................. 13 1.3.3 Derivační-regulátor – D ............................................................................................ 15 1.3.4 Kombinace regulátorů – skládání statických charakteristik při spojení bloků ......... 16 1.3.5 ID-regulátor .............................................................................................................. 19
1.3.6 PID-regulátor ............................................................................................................ 19 1.3.7 Kontrolní otázky ....................................................................................................... 21
1.4 Motory ......................................................................................................................... 22 1.4.1 Motory na střídavý proud ......................................................................................... 22
1.4.2 Motory na stejnosměrný proud ................................................................................. 24 1.4.3 Lineární elektromotor ............................................................................................... 25
1.4.4 Krokové motory........................................................................................................ 27
1.5 Pneumatické pohony .................................................................................................. 30 1.5.1 Membránové pohony ................................................................................................ 30 1.5.2 Pístové pohony ......................................................................................................... 30
1.6 Hydraulické pohony ................................................................................................... 31 1.6.1 Rozdělení hydromotorů ............................................................................................ 31 1.6.2 Kontrolní otázky ....................................................................................................... 31
1.7 Řízení procesů ............................................................................................................. 32 1.7.1 Základní pojmy řízení............................................................................................... 32 1.7.2 Ruční řízení .............................................................................................................. 33 1.7.3 Relé a stykače ........................................................................................................... 33
1.7.4 Programovatelná relé ................................................................................................ 34
1.7.5 PLC systémy ............................................................................................................. 36
1.7.6 Mikrokontroléry ....................................................................................................... 37 1.7.7 Kontrolní otázky ....................................................................................................... 43
2 Příklady regulace a automatizace z praxe ............................................................... 44 2.1 Automatická pračka ................................................................................................... 44 2.2 Inteligentní dům ......................................................................................................... 49 2.2.1 Regulace a automatizace vytápěcích systémů .......................................................... 49 2.2.2 Regulační prvky pro vytápění RD ............................................................................ 50 2.2.3 Ventily zónové a směšovací ..................................................................................... 53
2.3 Kontrolní otázky ......................................................................................................... 55
Literatura ............................................................................................................................ 56
Obrázky ............................................................................................................................... 57
Slovník pojmů ..................................................................................................................... 58
AUTOMATIZACE
3
Úvod
Tyto opory nemají za úkol nahradit učebnice a příručky, ale doplnit vhodnými materiály
pro výuku, které v učebnicích chybí. Automatizace je obor, který je nedílnou součástí našeho ţivota. Bez ní se neobejde
ţádný výrobní nebo technologický proces. Najdeme ji v obchodních i komerčních centrech
a stále více se uplatňuje pří řízení moderních rodinných domů.
ZAPAMATUJ SI
„Mechanizace je proces kdy se využívá strojů k odstranění namáhavé a opakující se
fyzické práce člověka.
Automatizace je proces, kdy technická zařízení využíváme k nahrazení nejen fyzické, ale
zejména k nahrazení duševní řídící činnosti lidí.
Kybernetika je věda zabývající se obecnými zákonitostmi řízení.
Ovládání je řízení bez zpětné vazby.
Regulace je řízení se zpětnou vazbou. Regulace je udržování určité fyzikální veličiny na
konstantní hodnotě, nebo jinak podle nějakého pravidla se měnící hodnotě.Během
regulace se zjišťují hodnoty této veličiny a srovnávají se s hodnotou, kterou má mít. Podle
zjištěných odchylek se zasahuje do regulačního procesu v tom smyslu, aby se odchylky
odstranily“.
(Švarc. 2002)
Veličina, která je regulací upravována podle stanovených podmínek, se nazývá regulovaná
veličina.
Abychom mohli nějaký proces regulovat a automatizovat potřebujeme výkonový prvek
řídit řídícím prvkem. K tomu ovšem potřebujeme získávat informace o řízeném procesu.
Tyto informace nám dodávají snímače (senzory) poţadovaných veličin.
AUTOMATIZACE
4
1 Automatizace procesů
1.1 Prvky pro získávání informací – snímače
ZAPAMATUJ SI
„Základní prvky informující o stavu, činnosti technického zařízení jsou snímače (senzory),
převádějící zvolenou technickou veličinu na vstupu na tzv. měronosnou veličinu na
výstupu.„ (Kovář a kol.)
Snímače snímají stavy a průběhy činnosti v procesech a slouţí k řízení, regulaci, sledováni
a zabezpečení činnosti stroje nebo celého procesu. Snímače jsou v přímém styku
s měřeným objektem, slouţí jako primární zdroj informace. Snímač pracuje tak ţe, snímá
sledovanou veličinu a transformuje ji na veličinu, kterou lze snadno vyhodnotit. Většinou
se vyhodnocuji elektrické napětí a proud. Z toho také vyplývá, ţe podstatou většiny
snímačů jsou fyzikální jevy, které lze na změnu napětí nebo proudu dobře převádět (změna
osvětleni→změna odporu→změna proudu; změny kapacity, odporů, magnetického
indukčního toku).
Technická veličina na vstupu snímače může být měřena dvěma způsoby
Přímo na základě její definice (např. Ohmův zákon).
Nepřímo – tyto metody vycházejí ze známé závislosti měřené veličiny na jiné měřené
veličině. Většinou se pro přenos pouţívají elektrické veličiny jako napětí, proud,
kapacita.
Toto použití má tyto přednosti
Moţnost dálkového přenosu dat včetně jejich soustředění do jednotlivých center.
Snadné provádění operací s elektrickými signály jak v analogové tak v digitální formě.
Moţnost pouţití unifikovaného regulačního obvodu při řízení libovolné technické
veličiny.
Vysoká citlivost s pouţitím techniky zesilování elektrických signálů, bezdotyková
měřidla, rychlá reakce snímačů.
1.1.1 Požadavky na snímače
Požadavky kladené na snímače lze shrnout do následujících bodů
Jednoznačná závislost výstupní veličiny na veličině vstupní.
Přesnost snímače a reprodukovatelnost výsledků měřeni, tj. časová nezávislost
parametrů snímače.
AUTOMATIZACE
5
Vhodný tvar statické charakteristiky, nejlépe lineární s velkou strmosti a minimálním
prahem citlivosti.
Optimální dynamické parametry (časová konstanta, tvar frekvenční charakteristiky,
šířka přenášeného frekvenčního pásma).
Minimální závislost na parazitních jevech (teplota, tlak, vlhkost, chvěni).
Minimální signálové zatěţovaní měřeného objektu.
Jednoduchá konstrukce a z toho plynoucí snadná údrţba a dostupná cena.
Statické vlastnosti snímačů
Rozsah stupnice.
Měřici rozsah přístroje.
Nominální hodnota výstupního signálu.
Kalibrační křivka.
Korekce.
Třída přesnosti.
Reprodukovatelnost.
Pohyblivost.
Stálost (stabilita).
Přetíţení.
Citlivost přístroje.
Chyba údaje měřidla.
Chyba linearity.
Chyba hystereze.
Dělení snímačů dle konstrukce
Aktivní (generatorické) snímače se působením měřené veličiny chovají jako zdroje
o elektrické energie (termočlánky, fotoelektrické, indukční, piezoelektrické).
Pasivní (parametrické) snímače účinkem měřené veličiny mění některý ze svých
parametrů (polohu, tlak, odpor, kapacitu, vlastni či vzájemnou indukčnost, magneticky
tok, Hallovo napětí).
AUTOMATIZACE
6
1.1.1.1 Dělení snímačů dle výstupních signálů
Analogové snímače
Snímají mechanické veličiny, např. dráhu a převádějí tyto snímané veličiny na elektrické
signály, a to napěťové nebo proudové. Po připojeni snímače signálu na měřidlo a kalibraci
stupnice měřidla vznikne měřici přistroj snímané veličiny. Kalibrace spočívá ve zjištěni
vztahu mezi hodnotami měřené veličiny a stupnici a označeni stupnice odpovídajícími
hodnotami. Při nepřímém měřeni můţe byt stupnice kalibrovaná přímo v jednotkách
měřené veličiny.
Binární snímače
Mají binární výstupní signál např. sepnuty/rozepnuty kontakt. Většinou vyhodnocuji, zda je
přijímaná veličina pod nastavenou prahovou úrovni nebo nad ni. Binární snímače mohou
mít podobu např. mechanických spínačů. Diference mezi přepínací úroveň snímané
veličiny pro přepnuti z 0 do 1 a přepínací úrovni pro přepnuti z 1 do 0 se nazývá přepínací
diference. Všechny binární snímače mají přepínací diferenci.
Číslicové snímače (digitální senzory)
Mají číslicový výstupní signál, který je číslicovým kódem snímané veličiny, např. dráhy,
doby nebo energie. Některé snímače digitalizuji s pomoci mikroprocesoru snímanou
analogovou veličinu, např. obrazové snímače digitalizuji obrazový signál, který pak slouţí
k posouzeni tvaru snímaného tělesa.
AUTOMATIZACE
7
1.1.2 Kontrolní otázky
Co je mechanizace?
Mechanizace je proces kdy se vyuţívá strojů k odstranění namáhavé a opakující se
fyzické práce člověka.
Co je automatizace?
Automatizace je proces, kdy technická zařízení vyuţíváme k nahrazení nejen fyzické, ale
zejména k nahrazení duševní řídící činnosti lidí.
Co je kybernetika?
Kybernetika je věda zabývající se obecnými zákonitostmi řízení.
Co je regulace?
Regulace je řízení se zpětnou vazbou. Regulace je udrţování určité fyzikální veličiny na
konstantní hodnotě, nebo jinak podle nějakého pravidla se měnící hodnotě. Během
regulace se zjišťují hodnoty této veličiny a srovnávají se s hodnotou, kterou má mít.
Podle zjištěných odchylek se zasahuje do regulačního procesu v tom smyslu, aby se
odchylky odstranily.
K čemu nám slouží snímače senzory?
Snímače snímají stavy a průběhy činnosti v procesech a slouţí k řízení, regulaci,
sledováni a zabezpečení činnosti stroje nebo celého procesu.
AUTOMATIZACE
8
1.2 Regulátory
ZAPAMATUJ SI
Automatická regulace
Je samočinné udrţování hodnot regulované veličiny podle daných podmínek a hodnot této
veličiny, zjištěných měřením. Je to průběh, který probíhá v uzavřeném regulačním obvodu
bez zásahu člověka. V porovnání s ruční regulací nahrazuje člověka přístroj – regulátor.
.
Regulátor je tvořen
• měřicím členem pro určení skutečné hodnoty regulované veličiny
• členem pro nastavení ţádané hodnoty
• měřicím členem pro určení skutečné hodnoty regulované veličiny
• členem pro nastavení ţádané hodnoty
• porovnávacím členem , který vykonává skutečnou a ţádanou hodnotu regulované
• veličiny
• výkonovým členem
Přehled základních pojmů
Akční veličina – výstupní veličina regulátoru, ale také vstupní veličina regulované
soustavy.
Akční člen – člen regulačního obvodu, který je řízen signálem akční veličiny a působí
rovnou na regulovanou soustavu.
Fyzikální veličina - je kaţdá z vlastností látky, která je měřitelná.
Ustálený stav určité veličiny – stav, ve kterém je daná veličina konstantní.
Porucha – kaţdá změna, která způsobí odchylku regulované veličiny od nastavené
hodnoty.
Regulace – udrţování hodnot regulační veličiny podle daných podmínek a hodnot této
veličiny zjištěných měřením. Je:
a) ruční
b) automatická
Regulovaná veličina – veličina, jejíţ hodnota je regulací dorovnávána podle předem
nastavených podmínek. Regulací se tedy udrţuje na poţadované hodnotě.
Regulační obvod – obvod, ve kterém je realizována regulace.
Jednoduchý regulační obvod – jedná se o spojení regulované soustavy a regulátoru,
kde se na vstup regulátoru přivádí pouze regulovaná a řídící veličina a kde regulátor má jen
jeden výstup akční veličiny.
Regulovaná soustava - je zařízení, na kterém se provádí regulace.
Regulátor – zařízení, které realizuje automatickou regulaci.
Nastavená hodnota regulované veličiny – je jí poţadovaná hodnota nastavená na řídícím
členu regulátoru.
AUTOMATIZACE
9
Poruchová veličina – veličina způsobující poruchu v regulačním obvodu.
Změna regulované veličiny – rozdíl mezi skutečnou a poţadovanou hodnotou regulované
veličiny.
Změna akční veličiny – rozdíl okamţité a poţadované hodnoty.
Hystereze – závislost stavu soustavy nejen na současných vstupních veličinách ,ale i na
jejich předchozích stavech. Nebo ji také můţeme popsat jako situaci kdy je rovnováţný
stav systému závislý na cestě, po které se rovnováze přibliţujeme.
Obr.1 Blokové schéma regulovaného obvodu.
Kde:
z – poruchová veličina
y – regulovaná veličina
w – požadovaná hodnota výstupní veličiny
e – regulační odchylka
u – akční veličina
Obr. 2 Blokové schéma regulátoru.
AUTOMATIZACE
10
1.3 Regulační obvody se spojitými regulátory Studiu této kapitoly musí předcházet studium kritérií stability, co je to jednotkový skok
a jednotkový impulz a rychlost přeběhu!
DŮLEŽITÉ
Regulační obvody se spojitými regulátory odstraňují nevýhody nespojitých regulátorů.
U obvodů s nespojitým regulátorem regulovaná veličina mění svou hodnotu skokem . Je
to tím, ţe akční veličina nabývá omezených počtů hodnot.
Vlastností spojitého regulátoru je, že výstupní veličina je spojitou funkcí vstupní
veličiny, která můţe nabývat libovolné hodnoty od minima po maximum.
DŮLEŽITÉ
Regulační pochod je průběh regulované veličiny, který probíhá při změnách řídících
a poruchových veličin při současném působení regulátoru. Regulační pochod můţe být
vyvolán změnou působení regulátoru.
Jeho průběh se stanovuje hůř neţ u nespojitého regulátoru, protoţe u kaţdého okamţiku je
nutno také uvaţovat vliv regulované veličiny na akční veličinu a její zpětné působení
na regulovanou veličinu.
Typy regulátorů: P,I D, PI, PD a PID regulátory.
1.3.1 Proporcionální regulátor P
DŮLEŽITÉ
Proporcionální regulátor P
Zajišťuje přímou úměrnost mezi vstupní a výstupní veličinou. Řád regulátoru se určuje
podle počtu elektronických kapacit v obvodu (1 kondenzátor = l řád) Kaţdé hodnotě
vstupní veličiny (regulovaná) odpovídá přímo úměrná hodnota veličiny výstupní(akční).
Kde:
K – je součinitel přenosu regulátoru
U regulovaných soustav je součinitel přenosu konstantní. Součinitel přenosu regulátoru
je moţno měnit. Záporné znaménko sděluje, ţe regulátor pracuje s inverzí. Při kladné
odchylce x se akční veličina zmenší a naopak.
Přesnost regulace závisí na zesílení regulátoru, které u setrvačných regulovaných
soustav můţe být značné, aniţ by hrozila nestabilita. U soustav vyšších řádů, kdy doba
průtahu je menší neţ desetina doby náběhu, je někdy na závadu překmitnutí regulované
veličiny. Překmitnutí je moţné sníţit zmenšením zesílení regulátorů, avšak za cenu větší
regulační odchylky.
AUTOMATIZACE
11
POZNÁMKA
Kmitání je téţ moţno odstranit zavedením setrvačnosti do regulované soustavy. To se
realizuje paralelním připojením kondenzátoru nebo RC členu.
Tento regulátor je vhodný i pro astatické soustavy, je-li přípustná trvalá regulační
odchylka.
Obr. 3 Schémata proporcionálních regulátorů
Statická charakteristika regulátoru P
Proporcionální člen P můţeme realizovat pomocí invertujícího zesilovače, který je
zobrazen na obr.3.2.2. obr 1.
Výstupní napětí P členu je dáno vztahem (1) a přechodová charakteristika P členu je
zobrazena na obr. 3.2.2 obr. 2.
Symbol pro P člen je na obr. 3.2.2 obr. 3.
Rozporuplné požadavky na regulátor P
Regulátor reguluje tím citlivěji a přesněji, čím je součinitel přenosu větší, coţ platí opačně
o stabilitě regulátoru.
Pásmo proporcionality je regulační odchylka, o kterou se musí změnit regulovaná veličina,
aby se regulační člen přestavil z jedné krajní polohy do druhé.
AUTOMATIZACE
12
DŮLEŽITÉ
Přechodová charakteristika regulátoru P
Při skokové změně vstupní veličiny se výstupní veličina téměř okamţitě ustálí na nové
hodnotě. Její velikost je dána nastavením pásma proporcionality.
Obr. 4 Proporcionální regulátor – přechodová charakteristika.
Obr. 5 Proporcionální regulátor.
AUTOMATIZACE
13
1.3.2 Integrační regulátor – I
Neţádoucí trvalá regulační odchylka proporcionálního regulátoru P je způsobena pevnou
vazbou mezi regulační odchylkou a akční veličinou.
DŮLEŽITÉ
Jestliţe je na regulační odchylce závislá rychlost změny akční veličiny, vznikne integrační
regulátor. Základní nevýhodou je, ţe se zvyšující se frekvencí klesá zesílení, takţe
regulátor pomalu reaguje na poruchy. Nehodí se tedy v případech výskytu častých poruch.
Regulátor I je velmi vhodný pro astatické regulované soustavy bez setrvačnosti, jeho
zesílení můţe být velmi vysoké, aniţ by hrozilo nebezpečí rozkmitání. Také je vhodný
pro setrvačné soustavy I. řádu. Nevýhodou je větší překmit regulované veličiny.
Regulátor I je nejvhodnější ze všech ostatních typů pro regulaci statických soustav
s dopravním zpoţděním. Tyto soustavy jsou nejvíce ohroţeny rozkmitáním regulovaného
obvodu. Proto nastavujeme menší zesílení regulátoru.
Regulátor I je méně vhodný pro regulaci soustav vyšších řádů, tam je lepší regulátor PI.
Nelze jej pouţít u astatických soustav, neboť regulovaný obvod by byl nestabilní. Má
stejnou charakteristiku jako u astatické soustavy. Regulátor I můţe být pouţit samostatně
nebo v kombinaci: PI a PID. I regulátor zajišťuje vţdy přesné doregulování a kombinuje se
s jinými regulátory pouze proto aby se zkrátila doba přechodu.
DŮLEŽITÉ
Statická charakteristika integračního regulátoru I je charakteristickou veličinou. S větší
integrační časovou konstantou klesá jeho stabilita, naopak se zvyšováním hodnoty této
konstanty stoupá.
Přechodová charakteristika
Je reakcí výstupní veličiny na vstupní veličinu jednotkového skoku.
Rychlost změny akční veličiny je úměrná regulační odchylce:
Kde:
Ti – integrační časová konstanta
Kr – výstupní veličina odpovídající proporcionálnímu přenosu
a pásmu proporcionality 100%. Integrál vstupní veličiny
x odpovídá přímo úměrné hodnotě výstupní veličiny y.
AUTOMATIZACE
14
Obr. 6 Schémata integračních regulátorů.
Relé v následujícím obrázku je ze stejného důvodu jako ve stavebnici RC. Na začátku
měření se kontakt rozpojí na konci měření spojí. To znamená, ţe mimo vlastní měření je na
kondenzátoru I regulátoru zabezpečeno nulové napětí.
Obr.7 Integrační regulátor.
AUTOMATIZACE
15
1.3.3 Derivační-regulátor – D
U integračního regulátoru odpovídala kaţdé hodnotě vstupní veličiny určitá změna
výstupní veličiny.
Tedy změně rychlosti vstupní veličiny vx odpovídá přímo úměrná hodnota veličiny
výstupní Y.
DŮLEŽITÉ
Nemění-li se vstupní signál, je na výstupu derivačního regulátoru výstupní signál nulový.
Derivační regulátor D se nikdy nepouţívá samostatně, vţdy jako součást regulátorů
sloţených. Ideální regulátor reaguje na jednotkový skok na vstupu diracovým impulsem,
coţ u reálného regulátoru není moţné.
DŮLEŽITÉ
Statická charakteristika derivačního regulátoru D
Je charakteristickou veličinou s časovou konstantou derivační. Součinitel přenosu Kz je
konstantní. Derivační regulátor reguluje citlivěji. Přesnějším je časová konstanta τd, jeho
větší stabilita naopak se zvyšováním hodnoty této konstanty klesá.
Přechodová charakteristika
Charakteristická veličina τd je doba, za kterou výstupní veličina dosáhne stejné hodnoty,
jaké by dosáhla, kdyby přenos regulátoru byl proporcionální a pásmo proporcionality
bylo 100 %.
Obr. 8 Schémata derivačních obvodů.
AUTOMATIZACE
16
Obr. 9 Schéma derivačního regulátoru – přechodová charakteristika.
1.3.4 Kombinace regulátorů – skládání statických
charakteristik při spojení bloků
DŮLEŽITÉ
Bloky mohou být vzájemně spojeny sériově, paralelně či zpětnovazebně. Pro získání
výsledné statické charakteristiky je nejvhodnějším řešením pouţití grafických konstrukcí.
Regulátor D se pouţívá pro zrychlení regulačních pochodů. Nelze jej samostatně pouţít.
Uţívá se ve spojení s regulátory typu P nebo PI. Nereaguje na regulační odchylku, ale jen
na změnu odchylky.
Jejich vlastnosti jsou součtem vlastností jednotlivých regulátoru. Do činnosti zasahují
nejprve derivační, pak proporcionální a na závěr integrační.
AUTOMATIZACE
17
Přechodové charakteristiky kombinovaných regulátorů
Typ regulátoru Označení Přechodová charakteristika
proporcionální P
integrační I
derivační D
proporcionálně-integrační PI
proporcionálně-derivační PD
proporcionálně-integračně-derivační PID
DŮLEŽITÉ
PI-regulátor
Paralelní spojení regulátoru P a I.
Pracuje bez lineární regulační odchylky hodnot.
Do regulace zásahu se zapojí nejprve proporcionální část, pak integrační.
AUTOMATIZACE
18
Obr. 11 Přechodová charakteristika PI regulátoru.
Obr. 12 Schéma PI regulátoru.
DŮLEŽITÉ
PD-regulátor
Vlastnosti jsou dány součtem vlastností regulátorů P a D. Do regulace nejprve zasáhne
derivační část regulátoru, pak proporcionální.
AUTOMATIZACE
19
1.3.5 ID-regulátor
Nepouţívá se.
1.3.6 PID-regulátor
DŮLEŽITÉ
Vlastnosti jsou dány součtem jednoduchých regulátorů. Do činnosti zasahují nejprve
derivační, pak proporcionální a na závěr integrační.
Odezva na jednotkový skok u PID regulátorů se blíţí ideálnímu stavu, tedy jednotkový
skok s tlumenými zákmity nízké amplitudy
Obr. 13 Blokové schéma PID regulátoru.
AUTOMATIZACE
20
Obr. 14 Schéma PID regulátoru.
AUTOMATIZACE
21
1.3.7 Kontrolní otázky
Jak nazýváme vstupní veličinu regulované soustavy?
Akční veličinou
Regulační obvod je?
Regulátor
4 řád regulátoru je dán?
Počtem kondenzátorů v obvodu
Vlastností spojitého regulátoru je?
Ţe výstupní veličina je spojitou funkcí vstupní veličiny, která můţe nabývat libovolné
hodnoty od minima po maximum.
Jaký je signál na výstupu derivačního regulátoru nemění-li se vstupní signál?
Výstupní signál je nulový
PID regulátor je tvořen?
Paralelním spojením P,I a D regulátorů
Který z regulátorů je nejdokonalejší?
PID
Je nutný zásah člověka při automatické regulaci?
Ne.
AUTOMATIZACE
22
1.4 Motory
DŮLEŽITÉ
Elektromotor je elektrický stroj, který slouţí k přeměně elektrické energie
na mechanickou práci.
Většinou jde o točivý stroj, ale existují i netočivé elektromotory, např. lineární
elektromotor. Tok energie mezi hlavními částmi motoru (stator a rotor) je realizován
výhradně pomocí elektromagnetické indukce, proto se často tento motor označuje jako
motor indukční. Výhodou asynchronního motoru je vysoká spolehlivost daná jednoduchou
konstrukcí. Nejčastěji se pouţívají jako napájené z běţné střídavé sítě. Napájecí napětí
můţe být jednofázové nebo trojfázové. Trojfázové je výrazně pouţívanější.
1.4.1 Motory na střídavý proud
Jsou točivé elektrické stroje (elektromotory) pracující na střídavý proud. Tok energie
mezi hlavními částmi motoru (stator a rotor) je realizován výhradně pomocí
elektromagnetické indukce, proto se často tento motor označuje jako motor indukční.
Nejčastěji jsou napájené z běţné střídavé sítě. Napájecí napětí můţe být jednofázové
nebo trojfázové. Trojfázové je výrazně pouţívanější.
1.4.1.1 Rozdělení
Asynchronní motor
Základem činnosti třífázového asynchronního motoru je vytvoření točivého
magnetického pole, které vznikne průchodem střídavého trojfázového proudu vinutím
statoru. Toto magnetické pole indukuje v rotoru napětí a vzniklý proud vyvolává sílu
otáčející rotorem (viz. příručka elektrické stroje).
Rotor se obvykle skládá ze sady vodivých tyčí, uspořádaných do tvaru válcové klece.
Tyče jsou na koncích vodivě spojeny a rotor se pak nazývá „kotva nakrátko“. Tím, ţe se
tyče rotoru (nebo vodiče vinutí rotoru) pohybují v magnetickém poli vytvářeném statorem,
se v rotoru indukuje elektrický proud.
V důsledku indukčního účinku se ve vinutí rotoru vytváří točivé pole a točivý moment.
Otáčky motoru přitom závisí na počtu pólových párů a frekvenci napájecího napětí. Směr
otáčení můţe být změněn prostřednictvím záměny dvou fázových svorek:
Kdyţ je motor alespoň minimálně zatíţen, v ustáleném stavu nedosáhne ideálních
otáček daných frekvencí napájecího proudu. Vzniká tzv. skluz (při jmenovitém zatíţení je
obvykle v řádu několika procent synchronní frekvence). V běţném provozním stavu motor
nedosahuje „synchronních“ otáček proto se nazývá asynchronní motor.
Vzhledem k jednoduché konstrukci, robustnosti a moţnosti bezjiskrového provedení je
tento druh motoru v praxi nejběţnější. Je vyuţíván v mnoha oblastech průmyslu, dopravy
i v domácnostech. Výkon asynchronních motorů se pohybuje od několika wattů aţ do
AUTOMATIZACE
23
mnoha set kilowattů. Výhodou asynchronního motoru je vysoká spolehlivost daná
jednoduchou konstrukcí.
Synchronní motor
Rotor stroje je tvořen magnetem nebo elektromagnetem, stator, na nějţ je přiveden střídavý
proud, vytváří pulzní nebo častěji rotující magnetické pole. Rotor se snaţí uchovat si svoji
konstantní polohu vůči otáčivému magnetickému poli vytvářenému průchodem střídavého
proudu ve statoru, drţí se v synchronismu aţ do kritického kroutícího momentu.
PŘÍKLAD
Pracovní oblast motorů řady SM (VUES Brno)
Průběh momentu a výkonu motoru je patrný z následujícího grafu. V rozsahu otáček 0 aţ
jmenovité otáčky (základní oblast) je oblast konstantního momentu. V rozsahu
jmenovitých otáček aţ nodb pracuje motor v odbuzeném stavu s konstantním výkonem.
Velikost otáček nent je závislá na velikosti motoru a nepřekračuje hodnotu 2× jmenovité
otáčky.
Graf 1 Výkonové a momentové charakteristiky.
Synchronní motory mají řadu nevýhod
Je třeba je roztočit na pracovní otáčky jiným strojem nebo pomocným asynchronním
rozběhovým vinutím (především rozběh jako hvězda, samotný chod pak zapojen do
trojúhelníku). Pokud pod zátěţí ztratí synchronizaci s rotujícím polem, skokově klesne
jejich výkon a zastaví se. Proto jsou vyuţívány jen ve speciálních případech (např. pohon
gramofonu, kdy jsou nevýhody vyváţeny poţadavkem na pravidelnost otáček
o celočíselném násobku frekvence elektrické sítě (za předpokladu, ţe frekvence napájecí
AUTOMATIZACE
24
sítě je skutečně konstantní). V současné době se ovšem uplatňují i v pohonu dopravních
prostředků.
Synchronní motory s permanentními magnety ze vzácných zemin
Pokrok v technologii výroby strojů s permanentními magnety ze vzácných zemin, dává
reálnou moţnost uplatnění pohonů větších výkonů se synchronními motory buzenými
permanentními magnety v aplikacích, kde je poţadován vysoký moment od nulových
otáček. Další předností těchto pohonů je zvýšení účinnosti - pohony tak vykazují vyšší
uţitnou hodnotu a úsporu provozních nákladů.
Velmi významným parametrem je sníţení hmotnosti proti standardním motorům.
1.4.1.2 Způsoby spouštění a řízení rychlosti
Asynchronní rozběh
Kromě budícího vinutí je na rotoru umístěno tlumící (rozběhové) klecové vinutí. Motor se
rozbíhá jako asynchronní motor nakrátko. Po dobu rozběhu je budící vinutí odpojeno.
Jakmile motor dosáhne otáčky blízké synchronním, nabudí se a rotor se v táhne do
synchronismu.
Rozběh pomocným motorem
Pro rozběh se pouţije buď budič (stejnosměrný generátor, který je umístěn na hřídeli
motoru, nebo rozběhový asynchronní motor – pro velké výkony.
Řízený rozběh
Motor je napájen z měniče kmitočtu. Otáčky lze řídit plynule změnou kmitočtu napájecího
napětí. Pro regulované pohony se pouţívají přímé nebo nepřímé měniče kmitočtu.
1.4.2 Motory na stejnosměrný proud
Ve vnitřním magnetickém poli se nachází smyčka, kterou protéká proud. Ten indukuje
magnetické pole, které je vţdy orientováno stejně jako vnější magnetické pole; toho je
dosaţeno díky komutátoru, který změní směr proudu smyčkou pokaţdé, kdy dojde
k překlopení. Energie této soustavy bude niţší, pokud budou magnetická pole orientována
proti sobě. Proto působí na smyčku moment, který se ji snaţí překlopit. Po překlopení se
změní směr proudu protékajícího smyčkou, a toto pokračuje pak dále.
Existuje další moţné ekvivalentní vysvětlení. Proud protékající smyčkou se chová stejně
jako permanentní magnet, který se můţe otáčet. Díky komutátoru se navíc dvakrát
za otáčku změní jeho polarita. Pokud je komutátor nastavený tak, ţe se polarita magnetů
změní v okamţiku, kdy jsou si jejich opačné póly nejblíţe, tak budou na pohyblivý magnet
neustále působit síly, které ho budou nutit k pohybu, jelikoţ souhlasné póly magnetů
se odpuzují.
AUTOMATIZACE
25
Výhody
- Snadné řízení – změnou budícího napětí na rotoru.
- Lineární charakteristika závislosti otáček na budícím napětí na rotoru.
Nevýhody
- Komutátor – nutná údrţba kluzných kontaktů (uhlíkových kartáčů).
- Vzniká zde také jiskření, které v kombinaci s průmyslovým prachem můţe zapříčinit
výbuch.
- Konstrukčně náročné, rozměrné.
1.4.2.1 Rozdělení
Derivační elektromotor
Má elektromagnet statoru napájený paralelně s rotorem. Otáčky tohoto motoru jsou méně
závislé na zátěţi motoru. Navíc lze proud statoru samostatně regulovat. Proto se tento typ
motoru vyuţívá především u strojů, kde jsou poţadovány relativně neměnné otáčky.
Sériový elektromotor
Místo permanentního magnetu se pro statory běţných větších motorů vyuţívá
elektromagnetu. Pokud je vinutí statoru (budicí vinutí) spojeno s vinutím rotoru do série,
mluvíme o sériovém elektromotoru. Tento typ elektromotoru má točivý moment nepřímo
úměrný otáčkám. To znamená, ţe stojící elektromotor má obrovský točivý moment.
Vyuţívá se proto především u dopravních strojů a v elektrické trakci (vlaky, metro,
tramvaje). Ve spojení s generátorem je schopen ideálně nahradit mechanickou převodovku.
Proto dostupnější sériový elektromotor (na rozdíl od střídavých) proto často nalezneme
také v levnějších přestavbách elektromobilů.
1.4.3 Lineární elektromotor
Jedná se o synchronní nebo asynchronní třífázové motory s rozloženým vinutím napájené
ze statického měniče kmitočtu a se zpětnovazebním polohovým čidlem, které umoţňují
přesný lineární pohyb a přenos síly při zachování vysoké dynamiky pohonu.
Lineární motor si můţeme představit jako klasický nebo asynchronní motor rozvinutý
do roviny viz. obrázek.
AUTOMATIZACE
26
Obr. 14 Schéma PID regulátoru.
Statorem je u lineárních motorů zpravidla označován primární díl a rotorem sekundární díl.
Primární část je tvořena jako u klasických strojů feromagnetickým svazkem sloţeným
z elektrotechnických plechů a trojfázového vinutí uloţeného v jeho dráţkách.
U synchronních motorů je proti primárnímu dílu konstrukčně spořádána sekundární část
tvořená permanentními magnety ze vzácných zemin (např. Nd-Fe-B), které jsou nalepeny
na ocelovou podloţku.
U asynchronní verze je sekundární díl tvořen klecí nakrátko uloţenou, buď do dráţek
feromagnetického svazku, nebo ocelovou podloţku poháněného zařízení.
Sekundární díl tvoří zpravidla delší část stroje. O tom, která část lineárního motoru se
bude pohybovat rozhoduje konstrukce poháněného zařízení. Ve většině konstrukcí se
pohybuje primární část po dráze tvořené libovolným počtem sekundárních dílů. Toto
uspořádání ovšem vyţaduje pohyblivý napájecí kabel, kabel snímače polohy a je-li pouţito
vodní chlazení, také pohyblivý přívod a odvod chladící kapaliny.
Základní princip lineárního motoru má řadu obměn.
Vzhledem k tomu, ţe statická (nepohyblivá) část stroje se nachází podél celé pojezdové
dráhy stroje, pořizovací náklady u velkých pohonů vybavených lineárními elektromotory,
například u speciálních drah v ţelezniční dopravě nebo v městské hromadné dopravě
(typicky v metru), bývají velmi vysoké. Mnohakilometrová trať je i náročnější na kontrolu
a údrţbu, neţ je tomu u běţných tratí, a provozní náklady celého zařízení mohou být také
velmi vysoké.
Využití
V přesných CNC obráběcích strojích (typicky brusy), kde jemný magnetický pohyb vítězí
nad mechanickými převody, jeţ trpí vůlemi.
AUTOMATIZACE
27
1.4.4 Krokové motory
Patří mezi moderní, laciné a spolehlivé pohony, které nacházejí stále širší uplatnění
v průmyslové automatizaci. Umožňují s vysokou přesností definovat polohu, rychlost
a časový průběh pohybu. Při současném řízení více motorů je moţné definovat přesnou
trajektorii ve dvou nebo i vícerozměrném prostoru. Krokovými motory lze ve velké většině
případů s úspěchem nahradit mnohem draţší servopohony.
DŮLEŽITÉ
Krokový motor je synchronní točivý stroj napájený impulsy stejnosměrného proudu.
Magnetické pole je generováno postupným napájením jednotlivých pólových dvojic.
Pohyb rotoru krokového motoru je při nízkých rychlostech nespojitý, rotor se pohybuje
mezi stabilními polohami vţdy v určitém úhlu – v krocích.
Počet kroků je dán počtem pólových dvojic. K pohybu tohoto motoru je vţdy třeba řídící
jednotka – ovladač krokového motoru. Vyznačují se proto velkou mechanickou odolností,
dlouhou dobou ţivota a provozem téměř bez údrţby. Nevýhodou krokových motorů je tzv.
ztráta kroku, která nastává při překročení mezního zatíţení a sklon k mechanickému
zakmitávání, které můţe vést k nestabilitě při pohybu. Obě tyto negativní vlastnosti lze
předem vyloučit volbou vhodného motoru a ovladače s přihlédnutím k momentovým
charakteristikám pohonu.
Funkce krokového motoru
Základní princip aktivního krokového motoru je úplně jednoduchý. Proud procházející
cívkou statoru vytvoří magnetické pole, které přitáhne opačný pól magnetu rotoru.
Vhodným zapojováním cívek dosáhneme vytvoření rotujícího magnetického pole, které
otáčí rotorem.
Podle poţadovaného kroutícího momentu, přesnosti nastavení polohy a přípustného
odběru volíme některou z variant řízení. Kvůli přechodovým magnetickým jevům je
omezena rychlost otáčení motoru, a to na několik stovek kroků za sekundu (závisí na typu
motoru a zatíţení). Při překročení této maximální rychlosti (nebo při příliš velké zátěţi)
motory začínají ztrácet kroky.
1.4.4.1 Krokové motory s pasivním rotorem
Jsou označované jako reakční či reluktanční, protoţe rotor je opatřen výstupky (zuby),
takţe magnetický obvod motoru má po obvodu vzduchové mezery proměnnou
magnetickou vodivost. Na statoru je osm zubů (pólu). Na kaţdém zubu je navinuta cívka,
přičemţ dvojice protilehlých cívek jsou spojeny do série a tvoří vţdy jednu fázi (A, B, C,
D). Rotor má na povrchu šest zubů bez vinutí. Šířka statorových i rotorových zubů ve
vzduchové mezeře je stejná. Předpokládáme-li, ţe jeden pár pólů statoru je vybuzen, tj.
např. fáze A, přitáhne nejbliţší zuby rotoru tak, aby magnetický obvod měl minimální
magnetický odpor a motor byl v magnetické klidové poloze. V této situaci se symetricky
vlevo a vpravo od vybuzeného pólu nekryjí protilehlé páry rotorových zubů se statorovými
postupně o 1/4, 1/2, 3/4 zubové rozteče. Odpojením fáze A a nabuzení fáze B způsobí, ţe
výslednice magnetického pole se pootočí do osy statorových zubů fáze B a rotor se pootočí
tak, aby se nejbliţší zuby sesouhlasily se statorovým polem do polohy s minimálním
AUTOMATIZACE
28
magnetickým odporem, tj. o čtvrtinu zubové rozteče. Vybuzením cívek C a D se
analogicky rotor pootočí vţdy o další čtvrtinu rozteče, takţe po proběhnutí jednoho cyklu
se rotor pootočí o jednu zubovou rozteč.
1.4.4.2 Krokové motory s aktivním rotorem
Obsahují magneticky aktivní část, tj. budící vinutí nebo permanentní magnet, jehoţ póly
mohou být uspořádány dvojím způsobem. S radiálně polarizovaným permanentním
magnetem – stator je navinut dvoufázově (počet pólů musí být dělitelný čtyřmi) tak, ţe ve
vybuzeném stavu dané fáze se po obvodu střídají polarity. Rotor s permanentním
magnetem má proti statoru poloviční počet pólů. Buzení statoru dvěma napětími fázově
posunutými o 90° el. vyvolá pootočení rotoru o jednu rozteč statoru, přičemţ jeho polaritou
je jednoznačně definován smysl otáčení.
s axiálně polarizovaným permanentním magnetem
Metody řízení krokových motorů
a) Unipolární
- unipolární jednofázové řízení s plným krokem
- unipolární dvoufázové řízení s plným krokem
- unipolární řízení s polovičním krokem
b) Bipolární
- bipolární jednofázové řízení s plným krokem
- bipolární dvoufázové řízení s plným krokem
- bipolární řízení s polovičním krokem
1.4.4.3 Lineární krokové motory
Jsou určeny pro přesné polohování menších břemen. Jedná se o kompaktní lineárně
rozvinutý systém třífázového krokového motoru. Sestává se z pevného lineárního statoru,
nad kterým se pohybuje po tenkém vzduchovém polštáři běţec. Při pohybu běţce
nedochází k ţádným mechanickým ztrátám ani opotřebení a funkci neomezuje ani malé
znečištění povrchu. Motory tohoto typu se vyznačují poměrně vysokou účinností a dlouhou
ţivotností a jsou prakticky bezúdrţbové. Velkou výhodou ve srovnání s klasickými
polohovacími osami se šroubem nebo řemenem jsou celkově menší nároky na prostor,
zejména zástavbová délka.
Lineární krokový motor např. LINSTEP3-0621 – stator je tvořen 750 cm dlouhým
hranolem z nerezové oceli, ve kterém je vytvořena velmi přesná struktura zubů a mezer
vyplněných polymerem. Povrch statoru je zabroušen, takţe struktura zubů a mezer je
viditelná, ale nehmatatelná. Stator vytváří současně vedení lineární osy, a proto není nutné
ţádné další přídavné vedení.
V běţci jsou zabudovány tři fáze vinutí motoru. Běţec se pohybuje nad statorem na
stlačeném tenkém vzduchovém polštáři, jehoţ výška je 1,5 mm. Vzduch o tlaku 3,5 barů je
rozváděn systémem trysek po vnitřní ploše běţce a působí proti magnetické síle přitahující
AUTOMATIZACE
29
běţec ke statoru. Vypnutím přívodu vzduchu je motor zabrţděn. Běţec je magneticky
pevně přitaţen ke statoru a motor tedy nepotřebuje ţádnou přídavnou brzdu.
Výhoda principu krokového motoru, jak uţ bylo zmíněno, spočívá v tom, ţe není
potřeba mít v soustavě měřící systém polohy. Ani v tomto případě zde nenajdeme ţádné
zařízení, které by zjišťovalo polohu běţce. Lineární krokový motor dosahuje rozlišení
3,33 mm s opakovanou přesností nastavení polohy ± 2,0 mm.
AUTOMATIZACE
30
1.5 Pneumatické pohony
DŮLEŽITÉ
Vyznačují se jednoduchým a robustním provedením, čistotou provozu, vysokou provozní
spolehlivostí, velkými přestavnými silami (řádově aţ 104 N) a poměrně krátkými
přestavnými dobami. Jsou vhodné do provozů s agresivním prostředím i nebezpečím
poţáru či exploze.
Dělí se podle
Prvku převádějícího tlak na sílu nebo výchylku
• s membránou
• pístem
• vlnovcem
• speciální
Způsobu generování pohybu
• jednočinné
• dvojčinné
Dráhy výstupního prvku
• posuvné
• kyvné
• rotační
Signálu
• spojité (proporcionální)
• nespojité
1.5.1 Membránové pohony
Dělíme je na pohony pro proporcionální činnost a pro nespojitou činnost (dvoupolohové).
Membránové pohony pro proporcionální činnost se pouţívají především v oblasti spojité
regulace pro pohon regulačních orgánů. Vyrábí se ve velkých sériích a ve stavebnicovém
uspořádání. Jejich výhodou je dokonalá těsnost, nevýhodou je relativně malý zdvih.
1.5.2 Pístové pohony
jejich předností je moţný velký zdvih (řádově aţ metry), robustnost a spolehlivost
konstrukce, značné síly (desítky kN) nebo momenty (stovky Nm), malý zastavěný prostor
a relativně nízká cena. Nevýhodou je značné tření při pohybu, a moţná netěsnost. Pro
regulaci – musí být vybaveny korektorem, který umoţní přesné polohování.
AUTOMATIZACE
31
1.6 Hydraulické pohony Pouţívané pracovní tlaky dosahují řádově aţ desítky MPa.
Vţdy dvojčinné a chovají se jako astatické členy, tj. mají integrační charakter činnosti
(kvůli tlaku).
Jsou schopny generovat největší síly nebo momenty, při malých dobách přestavení
a současně při nejmenších moţných rozměrech i tíze pohonů, ve srovnání s jinými typy
pohonů.
Pouţívají se v mobilní technice – pozemní vozidle, lodě, letadla, atd. Pracují obvykle
s elektronickým zařízením.
Problémem hydraulických pohonů je jejich nečistý provoz a jsou problematické tam,
kde je nebezpečí poţáru.
Při pouţití pro spojitou regulaci průmyslových zařízení, tvoří vţdy jednu stavební
jednotku s čerpadlem, zásobní nádrţí oleje a rozvaděčem.
Výhody
Obvykle nepotřebují transformační blok.
Snadná realizace přímočarého pohybu.
Jednoduché řízení.
Velká tuhost.
Plynulý a rovnoměrný chod.
Velká účinnost.
Nevýhody
Potřeba samostatného energetického bloku.
Problém s realizací vyšších rychlostí.
Závislost viskozity média na teplotě.
Ekologie.
1.6.1 Rozdělení hydromotorů
Přímočaré hydromotory
jednočinné, dvojčinné
jednostranné, oboustranné
jednostupňové, vícestupňové
Rotační hydromotory
zubové
pístové –axiální, radiální
Kývavé
1.6.2 Kontrolní otázky
KONTROLNÍ OTÁZKY
Co je elektromotor?
Elektromotor je elektrický stroj, který slouţí k přeměně elektrické energie
na mechanickou práci.
AUTOMATIZACE
32
1.7 Řízení procesů
1.7.1 Základní pojmy řízení
DŮLEŽITÉ
Řízení je působení řídícího členu na člen řízený. Můţe to být více či méně sloţité
zařízení, ve kterém se snaţíme dosáhnout předem stanoveného stavu.
Teorie řízení je naukou o řízení a popisu systémů. Základní dělení je na klasickou teorii
řízení a na moderní teorii řízení. Toto dělení má spíše pedagogický význam a v současné
době se pouţívají jak metody z klasické, tak moderní teorie.
Klasická teorie řízení
Teorie řízení, jejíţ formální rozvoj začal ke konci 19. století. Je zaloţena na vnějším popisu
systémů. Základními pojmy tu jsou: přenos systému, frekvenční charakteristika, impulsní
charakteristika, přechodová charakteristika, diferenciální rovnice.
Moderní teorie řízení
Vizualizace procesů – vizualizací se rozumí zobrazování skutečnosti, jejíţ výsledky jsou
znázorněny prostřednictvím vnímání zrakových receptorů. Vizualizace úzce souvisí
s uplatňováním zásady názornosti. S vizualizací se setkáváme v mnoha oblastech,
ve stavebnictví, technice, strojírenství, geografii atd. Je při tom vyuţíváno moderních
metod počítačového modelování.
Vizualizace v našem pojetí především znamená vizualizace výrobních procesů
pro efektivní řízení objemů výroby společnosti. Hlavním předpokladem pro efektivní řízení
je především znalost informací v reálném čase, a to hlavně informací o aktuálním stavu
výroby, ovšem téţ i o plánu, a to pro všechny výrobní sloţky.
Rozdělení řízení podle způsobu řízení:
a) řízení ovládáním
b) řízení regulací
c) řízení kybernetickým zařízením
Rozdělení řízení podle funkce:
ruční
samočinné (automatické) – veškerá činnost je prováděna bez zásahu člověka.
AUTOMATIZACE
33
1.7.2 Ruční řízení
Některým z členů ovládacího nebo regulačního systému je člověk. To znamená,
ţe při jakékoliv změně je nutný zásah člověka, většinou na tom místě, kde se nachází řídící
prvek.
Rozdělení:
a) ovládání je řízení bez zpětné vazby
b) regulace je udrţování velikosti některé fyzikální veličiny na poţadované hodnotě
pomocí zpětné vazby.
1.7.3 Relé a stykače
ZAPAMATUJ SI
Relé a stykače jsou elektromagneticky ovládané spínače, určené k dálkovému nebo
automatizovanému vypínání a zapínání elektrických obvodů.
Mají čtyři hlavní částí
Cívka – vinutí na kostřičce z nevodivého a nemagnetického materiálu. V provedení:
kulatá nebo hranatá.
Magnetické jádro – magneticky měkký materiál, tj. materiál, který nezůstane
zmagnetizovaný. Pro relé na stejnosměrné napětí jsou cívka a jádro, (které spolu tvoří
elektromagnet), zhotoveny z normálního kulatého ţelezného materiálu. Pro střídavé
napětí mají obdélníkový nebo čtvercový průřez. Jádro je poskládáno
z transformátorových plechů se závitem nakrátko.
Kotva – mechanické zařízení, které přitaţením k elektromagnetu spíná nebo přepíná
kontakty.
Kontakty – relé můţe mít jeden spínací, rozpínací nebo přepínací kontakt, můţe
o se skládat také z několika přepínacích párů. Kontakty jsou všechny stejné, na
stejné napětí a proud.
Stykač je relé, které je jinak mechanicky provedeno. Je určeno pro spínání velkých proudů,
nízkého a vysokého napětí. Je jinak mechanicky přizpůsobeno. Má hlavní kontakty pro
spínání velkých proudů, které jsou ve zhášecích komorách. Pomocné kontakty jsou menší
a slouţí k ovládání buď vlastního stykače nebo dalších zařízení.
AUTOMATIZACE
34
1.7.4 Programovatelná relé
Programovatelná relé nebo řídící relé jsou vlastně taková velmi jednoduchá PLC, vhodná
pro ty nejjednodušší automatizované aplikace. Někdy se také stále označují jako PLC,
protoţe hranice mezi těmito dvěma označeními není nijak přesně daná. Jak jiţ samotné
označení „programovatelné relé“ naznačuje, jde o zařízení nabízející binární vstupy
a spínané tranzistorové či reléové výstupy. Ty jsou napojeny na vnitřní elektroniku obvykle
tvořenou nějakým moderním vícevývodovým mikrokontrolérem výrobců ATMEL, NEC,
Freescale apod. V něm pak běţí výrobcem uloţený firmware a uţivatelem z PC nahraný
program, který se ve smyčce neustále dokola opakuje a určuje, jaká bude reakce řídícího
relé na vstupy a co to následně provede s výstupy.
Často je vše doplněno o jednoduchý monochromatický LCD displej a několik tlačítek
umístěných na těle „krabičky“. Ta jsou vţdy jiţ ovládaná firmwarem, ale lze jim obvykle
přiřadit funkce i v uţivatelském programu. Tak lze například vytvořit jednoduché HMI
rozhraní v uţivatelském programu.
Tlačítka i displej slouţí k zobrazování a nastavení některých výrobcem určených
stavových informací a času.
Základní modul je moţné rozšířit o další tzv. rozšiřující moduly dalších vstupů
a výstupů. Spínací úroveň vstupů je dána hodnotou napájecího napětí. Tzn. pokud je
napájení 24 V DC, vstupy rozlišují 0 V a 24 V, pokud 230 V AC, opět vstupy rozliší jen
stavy 0 a 230 V.
Z pohledu provedení pouzdra jde u všech výrobců o téměř shodná řešení tvořená
plastovou rozebíratelnou krabičkou s upínacím mechanismem na 35 mm DIN lištu.
Programovatelná relé jsou schopna řešit kombinační a sekvenční úlohy. Programování
lze provádět přímo přes displej a tlačítka přímo na přístroji, nebo komfortněji počítačem
pomocí programu.
Vlastní programování se provádí buď pomocí tzv. spínacího schématu, které lze
přirovnat k elektrickému obvodu. Zobrazení vodivých drah v provozu nebo v testovacím
reţimu ukazuje, kudy teče proud. Uvedení do provozu se tak usnadňuje a urychluje.
Programování je moţné téţ pomocí logických funkcí a funkčních bloků.
1.7.4.1 Rozdělení dle výrobce
Omron – Z 20C
Obsahuje 12 vstupů a 8 výstupů (reléových nebo tranzistorových) v jediném modulu.
Modul 20 I/O je dodáván s displejem LCD, ovládacími a programovacími tlačítky,
kalendářem a hodinami, se stavovými indikátory LED.
ZEN-20C1/C2, rozšiřitelné aţ na 44 I/O
DC jednotky ZEN mají analogový vstup 0–10 V DC
DC modely mají také 150 Hz vysokorychlostní čítač.
Je moţné rozšíření o reléové nebo tranzistorové výstupy.
AUTOMATIZACE
35
Moeller – řídicí relé EASY700
Má 12 vstupů, 6 reléových nebo 8 tranzistorových výstupů. U variant DA, DC a AB jsou
k dispozici čtyři analogové vstupy. Pro čítaní impulsů jsou k dispozici čtyři rychlé vstupy
do 1 kHz. Pro zadávání kontaktních schémat nabízí EASY řady 700 tři kontakty a jednu
cívku v sérii v jedné linii a maximálně 128 linií. Na vestavěném displeji lze zobrazit
maximálně 16 libovolných textů vţdy se 48 znaky. V případě potřeby můţete nechat na
displeji zobrazit také v kaţdém textu dvě proměnné. Tyto přístroje lze navíc rozšířit o další
vstupy a výstupy nebo pomocí komunikačních modulů připojit na vyšší komunikační
sběrnice. Komunikuje v češtině.
Řídicí relé EASY800
Obsahuje 12 vstupů, 6 reléových nebo 8 tranzistorových výstupů. U všech variant DC jsou
k dispozici čtyři analogové vstupy a případně jeden analogový výstup. V kontaktním
schématu lze propojit aţ čtyři kontakty a jednu cívku v sérii v jedné linii, celkem aţ v 256
liniích. Na podsvíceném displeji lze zobrazit aţ 32 libovolných textů (po 64 znacích).
Zobrazovány jsou ţádané hodnoty, datum, čas a skutečné hodnoty. Zadávání ţádaných
hodnot na textovém displeji je velmi jednoduché. Komunikuje v češtině.
Siemens – základní jednotka LOGO! 0BA6
Má 38/43 integrovaných funkcí s hodinami reálného času, velikost programu 200 / 400
funkčních bloků, 8 digitálních vstupů a 4 digitální výstupy (verze 12/24 RC 4 AI). Je
moţné rozšířeni aţ na 24 DI, 16 DO, 8 AI a 2 AO. Umoţňuje zobrazení procesních
proměnných na displeji a jejich editace pomocí tlačítek. Zajišťuje zálohu dat v případě
výpadku napájení. Software LOGO! Soft Comfort.
Siemens LOGO!0BA7
Největší rozdíly mezi novou a staršími verzemi tvoří komunikační moţnosti.
Umoţňuje komunikaci s dalšími základními jednotkami LOGO!.
Rozšíření počtu I/O pro základní jednotku – jedno LOGO! obsahuje program a ostatní
základní jednotky LOGO! mu poskytují pouze svoje vstupy a výstupy (maximálně
propojeno 8 LOGO! 0BA7). Maximální počet I/O je následující: 88 DI, 80 DQ, 40 AI
a 18 AQ.
Rozšíření paměti programu – kaţdé LOGO! Obsahuje svůj vlastní program a mezi
sebou si vyměňují pouze určitá data. Maximálně lze propojit 8 x LOGO! 0BA7.
Umoţňuje komunikaci s vyšší řadou programovacích kontrolérů SIMATIC S7,
vizualizačními panely SIMATIC HMI či OPC serverem.
Obsahuje celou řadu nových funkcí, které programátorovi zjednoduší práci. Mezi nové
funkce patří například bloky pro zjištění maximální a minimální hodnoty v určitém
časovém intervalu, stopky pro měření doby trvání libovolného procesu či astronomické
hodiny. K ukládání procesních dat lze pouţít funkci Datového záznamu.
Je zajištěna plná kompatibilita základních jednotek se stávajícími rozšiřujícími moduly.
Tato skutečnost značně zjednodušuje přechod ze starších verzí na nové. Kompatibilita
však není pouze hardwarová, ale do nové základní jednotky LOGO! 0BA7 je moţné
beze změny nahrát projekt z jakékoliv starší verze LOGO.
AUTOMATIZACE
36
Lovato Electric – Kinco
Napájecí napětí: 24 V DC nebo 100 aţ 240 V AC
10, 12 a 20 vstupů/výstupů na základních jednotkách, expanzní modely obsahují
4 vstupy/výstupy, jeho maximální konfigurace je 44 vstupů/výstupů.
Tepelný proud reléových výstupů je Ith 8 A pro verzi AC i DC.
Transistorové výstupy mají hodnotu 0,3 A, 24 V DC.
Jsou k dispozici analogové vstupy 0 aţ 10 V DC, standardně hodiny s reálným časem
(RTC), sériový port RS-232 pro připojení počítače nebo zálohovací baterie programu,
čtyřřádkový 12 znakový displej s podsvícením, programovací jazyk: liniové schéma
(max. 200 řad) nebo funkční bloky (max. 99 bloků).
1.7.5 PLC systémy
Programovatelný logický automat – PLC je malý průmyslový počítač pouţívaný pro
automatizaci procesů v reálném čase – např. pro řízení strojů nebo výrobních linek
v továrně.
Pro PLC je charakteristické, ţe program se vykonává v tzv. cyklech.
PLC automaty jsou odlišné od běţných počítačů nejen tím, ţe zpracovávají program
cyklicky, ale i tím, ţe jejich periferie jsou přímo uzpůsobeny pro napojení
na technologické procesy.
Převáţnou část periferií v tomto případě tvoří digitální vstupy (DI) a digitální výstupy
(DO).
Pro další zpracování signálů a napojení na technologii jsou určeny analogové vstupy
(AI) a analogové výstupy (AO) pro zpracování spojitých signálů.
S rozvojem automatizace v průmyslu jsou pouţívány i další moduly periferních
jednotek připojitelných k PLC, které jsou nazývány funkčními moduly (FM), např. pro
polohování, komunikačními procesory (CP) pro sběr a přenos dat a další specifické
moduly.
Rozdělení
Kompaktní systém – je takový systém, který v jednom modulu obsahuje CPU (Central
Procesor Unit), digitální a analogové vstupy/výstupy a základní podporu komunikace,
v některých případech i zdroj. Rozšiřitelnost kompaktních systémů je omezena.
Modulární systém – je takový systém, kde jsou jednotlivé komponenty celku rozděleny do
modulů. Celý systém PLC se potom skládá z modulů: zdroje, CPU, vstupů/výstupů,
funkčních modulů. Modulární systém je moţno dále rozšiřovat (s ohledem na limity
výstavby systému), a to v nepoměrně větším rozsahu neţ u kompaktních systémů.
AUTOMATIZACE
37
1.7.6 Mikrokontroléry
S elektronikou se dnes setkáváme na kaţdém kroku. Díky pokročilé integraci není nutné
pro kaţdou aplikaci vyvíjet vlastní zařízení, ale je výhodné z důvodů časových i finančních
pouţít to, co je k dispozici na trhu. Seznámíme se se základními principy činnosti
mikroprocesorů a ukáţeme si, jaké jsou jejich základní vlastnosti.
Terminologie není jednoznačná. Můţeme se setkat s pojmy jednočipové mikropočítače,
mikrokontroléry, mikrořadiče. Všechny tyto pojmy zahrnují elektronické součástky určené
pro realizaci zařízení s minimálními nároky na zastavěný prostor, spotřebu elektrické
energie a pouţití dalších součástek a obvodů. V ideálním případě vystačíme pouze
s několika pasivními součástkami.
Výrobou mikrokontrolérů se dnes zabývá celá řada renomovaných výrobců. Zmíníme
pouze ty nejvýznamnější, jako jsou firmy ATMEL, MICROCHIP, HITACHI, INTEL atd.
1.7.6.1 Rozdělení
Pokud jde o vnitřní uspořádání, jedná se o Harvardskou architekturu s redukovanou
instrukční sadou RISC. Harvardská architektura pouţívá oddělenou sběrnici pro paměť
programu. Další sběrnice je společná pro paměť dat a další části mikrokontroléru –
vstupně/výstupní porty, časovače, A/D a D/A převodníky, apod. Toto řešení umoţňuje
překrývání činností uvnitř mikrokontroléru. V jednom okamţiku probíhá dokončení jedné
instrukce, které vyţaduje komunikaci po sběrnici dat a současně uţ můţe probíhat čtení
následující instrukce z paměti programu. Podle konkrétního pouţití můţeme volit 8 bitové
aţ 32 bitové řešení.
Mikrokontrolér PIC16F84A
Mikrokontrolér PIC16F84A od firmy Microchip patří k těm nejjednodušším. Má 8 bitovou
datovou sběrnici, dva porty a pouţívá sadu 35 jednoduchých instrukcí. Přesto vyhovuje ve
spoustě aplikací.
Obr. 16 Blokové schéma PIC16F84A [1]
AUTOMATIZACE
38
Obr. 17 Blokové schéma V850/ME2 [2]
Mikrokontrolér V850/ME2
Mikrokontrolér V850/ME2 od firmy Hitachi naopak patří k těm nejvýkonnějším
na současném trhu. Vnitřní architektura je 32 bitová a obsahuje bloky pro sériovou
komunikaci, A/D převodník, obvody pro pulsně-šířkovou modulaci pro řízení motorů,
interní čítače/časovače atd.
AUTOMATIZACE
39
1.7.6.2 Příklady realizací určených pro tzv. embedded systémy
Kit AT90USB
Kit AT90USB od firmy Atmel má konektor pro programovací rozhraní JTAG a můţe
komunikovat s počítačem přes standartní USB rozhraní. Je rozšiřitelný o 6 portů, na
obrázku je porovnána jeho velikost s krabičkou zápalek.
Obr. 18 Kit AT90USB [3]
Raspberry Pi
Raspberry Pi je jednodeskový počítač o velikosti zhruba platební karty. Vyvíjí ho britská
nadace Raspberry Pi Foundantion s cílem podpořit výuku informatiky ve školách. Je řízen
procesorem ARM pracujícím na kmitočtu 700 MHz. Vyrábí se ve dvou verzích, s 256 MB
nebo 512 MB RWM. Nemá ţádné rozhraní pro připojení harddisku nebo SSD. Pro
nastartování systému a trvalé uchování dat je určen slot na SD kartu. Pro Raspberry Pi
vzniklo několik neoficiálních rozšiřujících desek, které umoţňují například komunikaci po
RS232, řízení DC motoru, A/D a D/A převodník, výstupy s otevřeným kolektorem atd.
Samotný výrobce nabízí k počítači jako operační systémy ARM verze linuxových
distribucí Debian a Arch. Jeho výhodou, kromě malých rozměrů, je minimální spotřeba,
cca 3,5 W, a proto je ideálním řešením pro nonstop běţící aplikace, jako je např. hostování
webových stránek, provozování datových úloţišť, virtuálních sítí apod. Také zvládne
přehrát video ve vysokém rozlišení.
AUTOMATIZACE
40
Obr. 19 Raspberry Pi [4]
Arduino
Arduino je platforma zaloţená na mikrokontroleru ATMega od firmy Atmel a grafickém
vývojovém prostředí. Arduino můţe být pouţito k vytváření samostatných interaktivních
zapojení nebo můţe být připojeno k software na počítači. Jeho cílem bylo vytvořit
jednoduchou prototypovací platformu pro studenty, která umoţní rychlý vývoj
a jednoduché pouţívání. Pro své univerzální uplatnění je Arduino vyhledáváno především
domácími kutily. Moţnosti jeho vyuţití jsou rozsáhlé. V České republice se začíná
postupně rozšiřovat. Existuje několik elektronických obchodů, které dováţí jiţ hotovou
desku, a vznikají i weby a články věnované právě Arduinu.
Obr. 20 Arduino [5]
AUTOMATIZACE
41
1.7.6.3 Praktické příklady použití mikrokontrolérů
Zabezpečení budov – je to rozsáhlá problematika zahrnující prostorová čidla pohybu,
čidla rozbití oken nebo výloh, kouřová čidla, v některých případech čidla venkovních
ţaluzií, GSM bránu, venkovní sirénu atd.
Zabezpečovací zařízení
Základní funkce zabezpečovacího zařízení (ústředny) jsou:
Odesílá informační SMS.
Zavolá na nastavená čísla a přehraje akustické upozornění.
Komunikuje s pultem centrální ochrany (PCO).
Umoţňuje dálkový přístup z klávesnice telefonu.
Obr. 21 Klávesnice zabezpečovacího zařízení [6]
AUTOMATIZACE
42
Programátor topení
Programovatelné termostaty se skládají ze dvou částí – vysílače, který bývá umístěn
v referenční místnosti, např. obývacím pokoji, a přijímače, který je v blízkosti ovládaného
zdroje tepla, nejčastěji teplovodního kotle. Výhodou je bezdrátový přenos v pásmu
433 MHz.
Obr. 22 Programátor topení [7]
AUTOMATIZACE
43
1.7.7 Kontrolní otázky
K čemu slouží stykač?
Ke spínání proudu a napětí.
V jakém regulačním systému je nutný zásah člověka?
Při ručním řízení.
Můžou programovatelná relé Siemens LOGO!0BA7 komunikovat mezi sebou
Ano
Na jakých kmitočtech pracuje programovatelný bezdrátový termostat?
433 Mhz
Co je Modulární systém?
Takový systém, kde jsou jednotlivé komponenty celku rozděleny do modulů. Celý systém
PLC se potom skládá z modulů: zdroje, CPU, vstupů/výstupů, funkčních modulů.
Modulární systém je moţno dále rozšiřovat (s ohledem na limity výstavby systému), a to
v nepoměrně větším rozsahu neţ u kompaktních systémů.
AUTOMATIZACE
44
2 Příklady regulace
a automatizace z praxe
Jedním z příkladů domácí automatizace je automatická pračka. Tyto pračky jsou dnes
běţným vybavením domácností. Prací proces lze rozdělit na několik postupných kroků.
Během jedné vsázky se několikrát napouští voda, prádlo se několikrát odstřeďuje, probíhá
proces namáčení, ohřevu, máchání, sprchování a závěrečné odstřeďování. Do pračky se
podle programu přidávají chemické prostředky pro namáčení, praní a konečnou úpravu.
Teplota bývá nastavitelná od 30 do 95 °C. Podle druhu prádla se řídí i čas pro jednotlivé
etapy praní.
Druhým příkladem je rodinný dům. Člověk je od přírody velmi líný, a tak si často
pokládá otázku. Co vše můţu udělat pro to, abych nemusel nic dělat, nebo jen s nejmenším
úsilím? Proto si i my poloţíme otázku: Co vše můţeme v rodinném domě řídit, regulovat
a automatizovat? Je toho hodně, vše záleţí na účelnosti, ekonomičnosti, pohodlnosti
a finanční dostupnosti. Podle toho se rozhodneme, jaké stupně pouţijeme.
2.1 Automatická pračka Jedním z příkladů domácí automatizace je automatická pračka. Tyto pračky jsou dnes
běţným vybavením domácností.
Prací proces lze rozdělit na několik postupných kroků. Během jedné vsázky se
několikrát napouští voda, prádlo se několikrát odstřeďuje, probíhá proces namáčení,
ohřevu, máchání, sprchování a závěrečné odstřeďování. Do pračky se podle programu
přidávají chemické prostředky pro namáčení, praní a konečnou úpravu. Teplota bývá
nastavitelná od 30 do 95 °C. Podle druhu prádla se řídí i čas pro jednotlivé etapy praní.
Prací program
Je řízen programátorem pomocí různých typů regulátorů a snímačů. Program můţe být
řízen malým motorkem poháněným mechanickým vačkovým válcem s příslušnými
kontakty nebo elektronicky mikroprocesorem. Programátor nám určuje, kdy má který
proces nastat a co má sepnout.
Mechanický programátor
Programátor si představme jako řadu spínačů, které jsou ovládány pomocí vaček a kulis.
Kulisy jsou umístěny na motorku, který je zpřevodovaný a velmi pomalu otáčí vačkami
a knoflíkem. Pomocí poměrně sloţitého systému spínačů jsou ovládány přímo elektrické
části pračky (topné těleso, čerpadlo, motor, atd.).
Elektronický programátor
Pro jednodušší a spolehlivější spínání elektrických částí pračky se začalo pouţívat
elektronického spínání a řízení. Řízení elektronických spínačů je prováděno elektrickými
AUTOMATIZACE
45
signály, coţ umoţňuje připojit další elektroniku, která můţe vyhodnocovat výsledky praní
a podle jejich vyhodnocení řídit spínání elektrických částí pračky. Tím se zjednodušil
programátor, který jiţ nemusí řídit všechny činnosti pračky, ale musí zajistit nastavení
programu uţivatelem a podle toho řídí elektronickou část ovládání pračky. Kontakty
programátoru jiţ nejsou namáhány proudem elektrických částí a jejich počet se sníţil.
Elektronika zajišťuje funkce, které by byly pomocí řízení mechanickým programátorem
nerealizovatelné. Také můţe dávat uţivateli na vědomí, co pračka právě dělá, jaké se
vyskytly chyby a další údaje. I tento volič programů má často podobu otočného knoflíku,
aby se zachovala kontinuita ve způsobu ovládání.
Obr. 23 Programátor topení.
Je moţné volit několik úrovní hladiny vodní lázně v pracím prostoru. Úroveň hladiny je
kontrolována tlakovým snímačem hladiny (presostavem), tlakový spínač je spojen s vanou
pračky trubicí s oddělovací vzduchovou tlakovou komorou. Stoupne-li hladina lázně,
vzroste i tlak ve snímači hladiny a příslušný kontakt se rozpojí.
Tlakový spínač
Je vyuţit i jako ochrana před zapnutím topení, jestliţe ve vaně není dostatečné mnoţství
vody. Všechny tyto informace se zároveň zpracovávají v mikroprocesoru, který celý
program řídí. Řídí se i přívod vody v závislosti na elektrické vodivosti vodní lázně, která se
měří pomocí tyčové norné elektrody. Se zvyšující se hladinou vody ve vaně klesá
elektrický odpor mezi nádobou a elektrodou. Tím se mění potenciál v můstkovém obvodu
tranzistorů v elektronickém obvodu pro řízení hladiny (obr. 22). V ţádané úrovni vypne
spínací relé elektromagnetický ventil pro napouštění vody a zapne časování dalšího
postupného programu.
AUTOMATIZACE
46
Obr. 24 Tlakový spínač.
Automatické vážení prádla
Další funkcí můţe být automatické váţení prádla, které umoţňuje napouštět vodu podle
mnoţství prádla. Pracuje na principu nasákavosti prádla. Pračka napouští nejniţší hladinu
vody a k ní připouští vodu, která se nasákne do prádla. Díky přesnému presostatu je tak
výsledné mnoţství vody skutečně závislé na mnoţství prádla a jeho nasákavosti.
Elektromagnetické ventily
Přívod vody je řízen dvěma ventily a usměrňován ve volném prostoru rozdělovače do tří
vstřikovacích komor, které jsou dalším potrubím spojeny s pracím prostorem. Tři
napouštěcí cesty tak odlišují hlavní přívod vody od přívodu pro předepírání a od přívodu
vody se změkčovacími prostředky. Spotřebu vody podstatně ovlivňuje přidávání
změkčovacích prostředků. Vypouštění vody z pračky zajišťuje samostatné vypouštěcí
čerpadlo s předřazeným sítovým filtrem.
AUTOMATIZACE
47
Obr. 25 Elektromagnetické ventily.
Zjednodušené schéma elektrických obvodů automatické pračky
Zjednodušené schéma elektrických obvodů automatické pračky je na následujícím obrázku.
Vytápění lázně je řízeno kapilárním termostatem, bimetalovým spínačem nebo
elektronickým regulačním členem. Pračky bez nastavitelného termostatu mají určenu
teplotu prací lázně podle nastaveného programu. Nastavitelný termostat přináší moţnost
sníţit prací teplotu i u programů, které by jinak probíhaly při zbytečně vysokých teplotách
a tím ušetřit elektrickou energii. Pokud na termostatu nastavíme teplotu vyšší, neţ
umoţňuje program, bude nastavení termostatu ignorováno.
AUTOMATIZACE
48
Obr. 26
Zjednodušené schéma pračky
PBC – deska plošného spoje
FA – odrušovač
Switch – vypínač
M – motor
MR – dveřní zámek
NTC – teplotní čidlo
EVP, EVF – přívodní ventil
P – tlakový spínač
R – topné těleso
B1 – vypouštěcí čerpadlo
AUTOMATIZACE
49
2.2 Inteligentní dům
DŮLEŽITÉ
Inteligentní dům je takový dům, jehoţ řídící systém sjednocuje všechny inteligentní
technologie a je zaloţen na jednotné síťové infrastruktuře a systému řízení. Takový dům
je vybaven počítačovými a komunikačními jednotkami, které na základě vyhodnocení
situace ovládají funkce domu podle předdefinovaných potřeb obyvatel.
Centrální počítač Inteligentního domu dokáže ovládat mnoho funkcí
Multimediální domácí zábava.
Připojení k internetu.
Osvětlení.
Elektronická ostraha objektu s kamerovým a poplašným systémem.
Zabezpečení domu při poţáru, úniku plynu, zaplavení.
Řízená správa energií přinášející energetické úspory aţ 40% (koordinované ovládání
vzduchotechniky, vytápění, klimatizace, chlazení, větrání, zastínění, ohřev vod.
Ovládání domácích elektrických spotřebičů (například spouštění určitých spotřebičů
podle předem nastaveného načasování).
Kontrola stavu a mnoţství potravin v lednici, objednávka chybějících potravin.
Zavlaţování zahrady.
Identifikace a odstraňování jednotlivých poruch
Prostřednictvím telefonu nebo internetu je moţné mít přehled o všem, co se v domě
děje, i tisíce kilometrů od domu a zároveň všechna zařízení ovládat např. přes plochu
monitoru prostoru.
Systém je natolik inteligentní, ţe dokáţe rozpoznat venkovní povětrnostní podmínky.
Dokáţe vyhodnotit situaci a podle toho nejvhodnější formou přizpůsobit „chování“
domu tak, aby vyuţití energie bylo co nejefektivnější a nedocházelo ke zbytečným
výkyvům a energetickým ztrátám.
2.2.1 Regulace a automatizace vytápěcích systémů
ZAPAMATUJ SI
Regulace kamen, krbů a kotlů na tuhá paliva je problematická. Výkon můţeme
regulovat pouze omezením přístupu vzduchu, a tím omezíme hoření. Omezením přístupu
vzduchu sníţíme také účinnost.
Automatická regulace hoření pro teplovzdušné krby a kamna je automatické nastavení
spalovacího procesu tím, ţe řídí tok vzduchu k ohništi krbu. Díky moţnosti řídit proudění
vzduchu do ohniště, šetří palivo. Na základě informací o průběhu kontroly hoření řídí
vzduchovou klapku a udrţuje tak poţadovanou teplotu spalování. Tím se prodluţuje doba
mezi přikládáním paliva do krbu.
AUTOMATIZACE
50
Obr. 27 Kotel s vzduchovou klapkou.
Obr. 28 Vzduchová klapka.
Automatizace malých kotlů je prakticky moţná jen u kotlů na peletky, kde dopravníkem ze
zásobníku dopravujeme peletky do kotle. Mnoţstvím můţeme částečně regulovat i výkon
kotle.
Regulace kotlů na plyn a tekutá paliva je možná v širokém rozsahu.
Automatizace kotlů na plyn a tekutá paliva je moţná v širokém rozsahu. Kotle na plyn
a tekutá paliva vyţadují pouze uvedení do provozu, kontrolu a údrţbu. Nepotřebují zásah
člověka. Pouze u propan – butanu nebo u tekutých paliv vyţadují doplňování zásobníků.
Pro nejjednodušší a nejlepší regulaci se hodí elektrické přímotopy. Mají nejjednodušší
instalaci. Regulovat se dá teplota v kaţdé místnosti samostatně.
Nevýhoda je, ţe se jedná o nejdraţší typ vytápění.
2.2.2 Regulační prvky pro vytápění RD
Regulační kohouty
Starší soustavy obsahující pouze regulační kohouty škrtí průtok otopného média do
otopného tělesa. Regulační kohouty ovšem automaticky neregulují vytápění v daném
prostoru. Vyvinuté teplo je, i v případě přetopení prostoru, neustále vydávané z otopného
tělesa. Uţivatel musí ventil ručně přivřít. Kdyţ je v daném prostoru teplota niţší, uţivatel
opět musí ventil pootevřít, aby se teplo vydávané zdrojem vytápění prostřednictvím
otopného tělesa dostalo do prostoru. Tímto způsobem nelze zajistit ani rovnoměrné, ani
hospodárné vytápění.
Termostatické ventily
Udrţují teplotu vzduchu v místnosti na zvolené hodnotě nastavené na hlavici uţivatelem
bytu bez nutnosti uţivatele věnovat topení pozornost. Jak termostatické ventily vlastně
fungují? Tělesa termostatických ventilů se skládají z těla ventilu a vloţky (obsahující
kuţelku) termostatického ventilu. Vloţka termostatického ventilu je umístěna uvnitř těla
AUTOMATIZACE
51
ventilu. Skrze těleso termostatického ventilu protéká otopné médium. To, kolik protéká
otopného média termostatickým ventilem, určuje zdvih kuţelky termostatického ventilu.
Tento zdvih je řízen pomocí termostatické hlavice.
Termostatické hlavice
Pracují na principu tepelné dilatace kapaliny, plynu, nebo pevné látky. Vlivem zvyšující se
teploty prostředí okolo termostatické hlavice dochází k roztahování teplotně citlivé látky.
Teplotně citlivá látka je obsaţena v řídicím snímači, který je zabudován v termostatické
hlavici. Roztahování teplotně citlivé látky působí na vřeteno kuţelky termostatického
ventilu, a tím dochází k uzavírání či otevírání průtoku média. Nastavení poţadované
teploty, otočením termostatické hlavice na odpovídající hodnotu, provádí uţivatel. Další
regulace prostorové teploty je pak prováděna automaticky bez ohledu na přítomnost
uţivatele v bytě. Podle potřeby přivírá nebo otevírá přívod teplonosného média do
otopného tělesa.
Nevýhodou je pevně daná teplota, nezávislá na čase. Pokud odcházíme z domu
a ztlumíme topení, vrátíme se do chladného prostředí.
Obr. 29 Řez termostatickým ventilem.
Obr. 30 Ventil bez kuželky.
Obr. 31 Rozložený kompletní ventil s termostatickou hlavicí.
AUTOMATIZACE
52
Termostaty
Jejich pomocí můţeme ovládat zapínání a vypínání elektrických i plynových kotlů,
přímotopných panelů, troj a čtyřcestné ventily, čerpadla kotlů, či ventily pro jednotlivé
tepelné okruhy.
Pokojové termostaty
Slouţí k jednoduché a spolehlivé regulaci teploty v místnosti.
Mechanické – jejich hlavní výhodou je jednoduchá obsluha a provoz bez nároku
na napájení. Velké kolečko s jasnou stupnicí umoţňuje jednoduché nastavení teploty.
Elektronické termostaty - zobrazují teplotu na LCD displeji a můţou být napájené
ze sítě, nebo pomocí baterií.
Obr. 32 Různé druhy mechanických termostatů.
Programovatelné termostaty s týdenním nebo denním programem mají přehledný displej.
Umoţňují regulaci teploty v místnosti podle předem nastaveného časového programu
nastavitelnou spínací diferencí. Poskytují moţnost naprogramování několika různých teplot
během dne.
Obr. 33 Různé druhy pokojových programovatelných termostatů.
AUTOMATIZACE
53
2.2.3 Ventily zónové a směšovací
Téměř kaţdý moderní systém vytápění s více zdroji energie a více otopnými okruhy
se neobejde bez zónových a směšovacích ventilů, které umoţňují komfortní a bezobsluţné
vytápění s důrazem na maximální úspory energií.
Obr. 34 Ovládání všech otopných okruhů.
Zónové ventily
Slouţí k řízení směru průtoku do jednotlivých zón rozvodů (např. otopných, solárních nebo
chladicích systémů, rozvodů vody apod.). Rozdělují se na dvoucestné a třícestné.
Dvoucestné mají za úkol pouze zavírat nebo otevírat jednotlivé hydraulické okruhy,
třícestné se někdy také označují jako „hydraulické výhybky“, coţ přesně popisuje jejich
činnost – z jednoho společného vstupu směřují průtok do jednoho z dalších dvou výstupů
podle toho, zda jsou sepnuty nebo vypnuty. Zónové ventily se dále dělí podle pouţití,
maximálních a uzavíracích tlaků, teplot a typů kapalin, typů elektrických pohonů
a bezpečnostních funkcí.
AUTOMATIZACE
54
Obr. 35 Různé druhy elektricky ovládaných ventilů.
Směšovací ventily
Slouţí ke směšování dvou kapalin o různé teplotě v takovém poměru, aby byla z ventilu
docílena konkrétní poţadovaná výstupní teplota. Rozdělují se na třícestné a čtyřcestné.
Třícestné ventily směšují ze dvou přívodů do jednoho výstupu, směšováním tedy sniţují
nebo zvyšují průtok v jednotlivých přívodech. Typické pouţití těchto ventilů je pro
směšování otopné vody do otopných okruhů (podlahové, stěnové vytápění, otopná tělesa),
nebo směšování zpátečky kotlů na tuhá paliva pro zamezení nízkoteplotní koroze.
Tam, kde je nutné zajistit konstantní neškrcený průtok i na přívodu do směšovacího
ventilu, je nutné pouţít čtyřcestný směšovací ventil, který zajišťuje směšování
na poţadovanou teplotu při zachování průtoků na obou stranách ventilu. Typickým
příkladem vyuţití je směšování za plynovým kotlem, ve kterém je nutné zachovat průtok
otopné vody, nebo směšování zpátečky kotlů na tuhá paliva.
Obr.36 Různé druhy směšovacích ventilů.
AUTOMATIZACE
55
2.3 Kontrolní otázky
KONTROLNÍ OTÁZKY
Jak dělíme Pokojové termostaty?
Mechanické
Elektronické termostaty
Lze mechanickými termostaty nastavovat čas sepnutí?
Ne.
Co nám umožňují Programovatelné termostaty s týdenním nebo denním
programem?
Umoţňují regulaci teploty v místnosti podle předem nastaveného časového programu
nastavitelnou spínací diferencí. Poskytují moţnost naprogramování několika různých
teplot během dne.
K čemu slouží zónové ventily?
K řízení směru průtoku do jednotlivých zón rozvodů (např. otopných, solárních nebo
chladicích systémů, rozvodů vody apod.).
Vyjmenuj výhody vytápění elektrickými přímotopy.
Nejjednodušší regulace.
Nejjednodušší instalace.
Regulovat lze teplotu v kaţdé místnosti samostatně.
AUTOMATIZACE
56
Literatura
1. Ing. Vavřiňák P, ing. Anna Řehová., Automatizace, [online]. [cit.15.července 2013]. Dostupný
z http://www.ssenajizdarne.cz/dokumenty/studijni_materialy/automatizace.pdf
2. Ing. Kovář j. a kol., PLC – hardware – LYT, [online]. [cit.3.září 2013]. Dostupný
z http://www.spszl.cz/soubory/plc/plc_hardware_lyt.pdf
3. Akční členy, [online]. [cit.16.července 2013]. Dostupný z http://www.e-
automatizace.cz/ebooks/ridici_systemy_akcni_cleny/Akc_el.html
4. Coptel, Regulační technika základní pojmy, úvod do předmětu, [online]. [cit.22. března2013]. Dost
upný z http://coptel.coptkm.cz/reposit.php?action=0&id=18785&revision=-1&instance=2
5. Bydlet, [online]. [cit.16. ledna 2013]. Dostupný z http://www.bydlet.cz/161292-inteligentni-dum-
-dum-ktery-se-postara-o-vas-i-sam-o-sebe-i-cast/
6. VUES, elektrické stroje a pohony, [online]. [cit.3.září 2013]. Dostupný
z http://www.vues.cz/file/429/CZ_SM250-400__091013.PDF
7. Ing. Kocman, Synchronni stroje, [online]. [cit.3.září 2013]. Dostupný
z http://fei1.vsb.cz/kat420/vyuka/hgf/elektrotechnika/sylab_synchronni_stroje_bc.pdf
8. EUROLINE BOHEMIA s.r.o - Inteligentní domy - [online]. [cit. 16. ledna 2013]. Dostupný z
http://www.euroline.cz/cz/projekty/rodinne-domy/inteligentny-dum.html
9. Rescom s. r. o. - Inteligentní domy - úsporné a chytré řešení pro každého [online]. [cit.16. ledna
2013]. Dostupný z http://www.rescomid.cz/cz/inteligentni-domy
10. Elektrobock , Inteligentní dům, [online]. [cit. 16. ledna 2013]. Dostupný z
11. http://www.elektrobock.cz/cs/inteligentni-dum/text.html?id=34
12. Regulus, Termostatické ventily, [online]. [cit.22.února 2013]. Dostupný z http://www.regulus.cz/cz
/termostaticke-ventily-a-regulace-pro-kotle-na-tuha-paliva
13. Měření a regulace - [online]. [cit. .22.února 2013]. Dostupný z http://vytapeni.tzb-info.cz/mereni-
a-regulace
14. Thermona, Pokojové regulátory teploty - přehled trhu, [online]. [cit. 22.února 2013]. Dostupný
z http://www.thermona.cz/plynula-usporna-regulace
15. Heimier, Třícestný směšovací ventil [online]. [cit. 25.února 2013]. Dostupný z
16. http://kamna.astranet.cz/shops/3790/navody/Heimeier-ventil-in2-out1.pdf
17. Regomat, Ventily zónové a směšovací, [online]. [cit. 25.února 2013].
http://www.regulus.cz/cz/ventily-zonove-a-smesovaci
18. Wikipedie, Programovatelný logický automat, [online]. [cit. 15. listopadu 2012]. Dostupný z
http://cs.wikipedia.org/wiki/Programovatelný_logický_automat
19. ROSS, Obory činnosti, Elektroinstalace, Automatizace, ASŘ a MaR, [online]. [cit.14. prosince
2013]. Dostupný z http://www.ross.cz/Automatizace-ASR-a-MaR/Automatizace-ASR-a-MaR/sc-54-
sr-1-a-164/default.aspx
20. Wikipedie, Automatizace, [online]. [cit. 14. prosince 2013]. Dostupný z
http://cs.wikipedia.org/wiki/Automatizace
21. Wikipedie, Programovatelný logický automat, [online]. [cit. 15. listopadu 2012]. Dostupný z
http://cs.wikipedia.org/wiki/Programovatelný_logický_automat
22. Wikipedie, Teorie řízení, [online]. [cit. 14. prosince 2013]. Dostupný z
http://cs.wikipedia.org/wiki/Teorie_řízení
23. OMRON, Programovatelné relé ELC-12DC-DA-R, [online]. [cit.15. listopadu 2012]. Dostupný z
http://industrial.omron.cz/cs/products/catalogue/control_components/programmable_relays/zen_20c/defa
ult.html/
24. Moeller, Základní přístroj řady EASY 500: EASY512 AC RC, 115/240VAC, 8/4 R [online]. [cit. 15.
listopadu 2012]. Dostupný z http://automatizace.hw.cz/programovatelna-ridici-rele-plc-moeller-
easy500-700-800. online/6.12.2012
25. Wikipedie, Programovatelný logický automat, [online]. [cit. 15. listopadu 2012].
26. http://cs.wikipedia.org/wiki/Programovatelný_logický_automat
27. Wikipedie, Teorie řízení, [online]. [cit. 14. prosince 2013]. Dostupný z
http://cs.wikipedia.org/wiki/Teorie_řízení
28. Akční členy: [cit. 15.7. 2013]. Dostupný z
http://kteiv.upol.cz/uploads/soubory/serafin/mechatronika/akcni-cleny.ppt
29. RCdidactic systems Výukový systém RC 2000-µLAB Regulační technika
AUTOMATIZACE
57
Obrázky 1. Bokumentace firmy Microchip
2. Dokumentace firmy Hitachi
3. Vlastní fotografie
4. http://cs.wikipedia.org/wiki/Raspberry_Pi (dostupné online)
5. http://cs.wikipedia.org/wiki/Arduino (dostupné online)
6. Vlastní fotografie
7. http://www.top-termostat.cz (dostupné online)
AUTOMATIZACE
58
Slovník pojmů
Analogový vstup
Vstupní veličina se mění spojitě a můţe nabývat libovolných hodnot v rámci daných mezí.
Digitální výstup
Výstupní veličina, u nichţ daná hodnota můţe nabývat několika definovaných stavů.
Prakticky se jedná o „sepnuto a vypnuto“.
Hydromotor, hydromotory
Zařízení slouţící k přeměně kinetické a tlakové energie kapaliny na mechanickou energii
posuvného pohybu (u přímočarých hydromotorů) nebo rotačního pohybu (u rotačních
a kývavých hydromotorů) poháněné součásti.
Transformátorový plech, transformátorové plechy
(Elektrotechnické) plechy se vyrábí z křemíkové oceli o tloušťce 0,35 a 0,5 mm. Jsou
alespoň jednostranně izolované. V minulosti se plechy izolovaly olepením papírem.
Moderní plechy se izolují pokrytím fosfátovou vrstvou.
Mikrokontrolér, mikrokontroléru
Jednočipový mikropočítač vhodný pro vyuţití v řízení. Kromě vstupních a výstupních
obvodů jsou v něm integrovány i mnohé další obvody – např. analogově-digitální nebo
digitálně-analogový převodník, čítač, časovač, komparátor, synchronní sériový port, USB,
PWM (pulsně-šířkový modulátor), EEPROM a další. Díky tomu, ţe jsou tyto obvody
v mikrokontroléru jiţ integrovány, není potřeba je realizovat externě, a proto
mikrokontrolér často disponuje méně výstupy, díky čemuţ můţe být jeho pouzdro menší
a levnější. Mikrokontroléry se obvykle pouţívají pro tzv. vestavné (embedded) aplikace, tj.
jsou součástí nějakého dalšího zařízení, kde plní nějakou specifickou funkci.
Elektromagnetický ventil, elektromagnetické ventily
Jsou důleţitými řídicími členy regulačních obvodů a obvodů či systémů v automatizaci.
Jsou to součásti, které na základě vnějšího elektrického signálu ovládají přívod plynných
a kapalných médií k dalším prvkům a zařízením. Jsou ovládány pomocí elektromagnetu.
Tyto akční členy pracují dvoupolohově a jsou vyráběny v provedení „v klidu uzavřen“ i „v
klidu otevřen“. Konstrukční provedení elektromagnetických ventilů určuje jejich vlastnosti
a technické parametry – ovládací napětí, připojovací rozměry, druh média, pracovní tlak,
průtok, teplotní rozsah, rychlost odezvy, velikost a v neposlední řadě ţivotnost.
Peletky
Granulát materiálu rostlinného původu z tzv. biomasy.
Biomasa
Souhrn látek tvořících těla všech organismů, jak rostlin, bakterií, sinic a hub, tak
i ţivočichů. Tímto pojmem často označujeme rostlinnou biomasu vyuţitelnou pro
energetické účely
AUTOMATIZACE
59
Termostat, termostaty
Technické zařízení, které v určitém více méně uzavřeném prostoru udrţuje stálou teplotu.
Výstup z termostatu můţe ovládat vytápění nebo naopak klimatizaci.
Hallovo napětí
Vloţíme-li vodivou destičku tloušťky, kterou protéká řídící elektrický proud, do
magnetického pole s magnetickou indukcí, kolmou na směr proudu, pak ve třetím směru,
kolmém na směr proudu a zároveň na směr magnetického pole změříme potenciálový
rozdíl. Následkem Hallova jevu vzniká Hallovo napětí.
Akční veličina, akční veličiny
Výstupní veličina regulátoru, ale také vstupní veličina regulované soustavy.
Regulovaná soustava, regulované soustavy
Zařízení, na kterém se provádí regulace.
Regulace
Udrţování hodnot regulační veličiny podle daných podmínek a hodnot této veličiny
zjištěných měřením. Je ruční a automatická.
Přechodová charakteristika, přechodové charakteristiky
Reakce výstupní veličiny na vstupní veličinu jednotkového skoku.
Tlakový spínač, tlakové spínače
Přístroj pro kontrolu a řízení tlaku. Pouţívá se v regulačních obvodech, nebo jako
bezpečnostní prvky v systémech řízení.
Kompatibilita
V běţné řeči označuje míru, v jaké se dvě myšlenky, projekty, osoby atd. „snášejí“ čili dají
kombinovat. V počítačové technice: Schopnost různých zařízení pracovat dohromady. Míra
funkční shody dvou zařízení, například počítačů. Kompatibilní jsou dvě zařízení, které lze
ve větší nebo menší míře zaměnit, protoţe mají stejná rozhraní, protokoly, instrukční kódy
a podobně.