INTELIGENTNE ELEMENTY WYKONAWCZE …zkup.mchtr.pw.edu.pl/pom_dyd/SMM/SMM_05_Elementy wykonawcze... · V2 ps F Politechnika Warszawska, Instytut Automatyki i RoboPolitechnika Warszawska,

INTELIGENTNE ELEMENTY WYKONAWCZE AUTOMATYKI

MichałMichał Bartyś Bartyś

SYSTEMY SYSTEMY MECHATRONICZNEMECHATRONICZNE

Politechnika Warszawska

Wydział Mechatroniki

•• Wprowadzenie Wprowadzenie •• Element wykonawczyElement wykonawczy•• ProblemyProblemy•• Opis zjawisk fizycznychOpis zjawisk fizycznych•• Przykłady konstrukcjiPrzykłady konstrukcji•• Elementy elektroElementy elektro--pneumatycznepneumatyczne•• Elementy elektryczneElementy elektryczne•• Diagnostyka bieŜąca Diagnostyka bieŜąca •• Symulacja układów wykonawczychSymulacja układów wykonawczych•• Uwagi końcoweUwagi końcowe

Politechnika Warszawska, Wydział Mechatroniki

Sztuczna inteligencja?Sztuczna inteligencja?

Inteligencja naturalna- zdolność do samodzielnego (twórczego) formułowania i

rozwiązywania problemów

Inteligencja sztuczna- zdolność komunikacji ze światem zewnętrznym- zdolność wnioskowania- zdolność adaptacji do zmieniających się warunków

Podstawowe wątpliwości

Politechnika Warszawska, Instytut Automatyki i RobotykiPolitechnika Warszawska, Wydział Mechatroniki

Punkt wyjściaPunkt wyjścia

Liczba elementów wykonawczych:

Skala problemu

BASF - Ludwigshafen: ok. 50 000

Cukrownia Glinojeck: ok. 200

ORLEN SA Płock: ok. 20 000

Elektrownia Kozienice SA: ok. 700

Browar Warka : ok. 100

Elektrociepłownia Katowice SA: ok. 250

Polfa Tarchomin: ok. 50


Miejsce elementu wykonawczego w układzie automatyki

Element wykonawczy

CV Fe L Regulator Obiekt

SP

PV

Przetwornik pomiarowy

Element wykonawczyElement wykonawczySchemat blokowy


Element wykonawczyElement wykonawczyRola i miejsce elementu wykonawczego w układzie automatyki

Przetwornik

eSP

PV

CV

Element

wykonawczy

F L

Zakłócenia

Regulator

PID G Obiekt

System DDC InstalacjaŁącze Aktuator


Element wykonawczy

LObiekt

Przetwornik pomiarowy

ePI

SP

PV

CV

CV

P I

I

E/P Ps

Ps

XV

Siłownik

X

Kf

Zawór

FOpary

Przecieki

P2

P1

X

Element wykonawczyElement wykonawczyUszczegółowiony schemat blokowy


Przykład elementu wykonawczegoPrzykład elementu wykonawczego((Zespół: siłownik + zawór regulacyjny + ustawnik pozycyjny)

Actuator structure

Miejsce elementu w instalacji technologicznej

F

P2P1

x

CV Ustawnik

X

V1 V3V

V2

ps

F


Przykład zastosowaniaPrzykład zastosowaniaPrzemysł spoŜywczy

Układ regulacji poziomu soku rzadkiego w stacji wyparnej


ZagroŜenia techniczneZagroŜenia technicznePrzykład zagroŜenia technicznego

Cukrownia Lublin SA

Uszkodzenie elementu wykonawczego

Pozostaje tylko 30s na usunięcia awarii !

Juice level in evaporator (snap-shot from faulty state)

Time [s]

PV

in [%

]

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

0 1000 2000 3000 4000

Dangerous situation

Manual control test

Juice level in evaporator (snap-shot from faulty state)

Time [s]

PV

in [%

]

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

0 1000 2000 3000 4000

Dangerous situation

Manual control test

Poziom soku w wyparce PV (stan uszkodzenia elementu wykonawczego)

Czas [s]

Niebezpieczeństwo zanieczyszczenia instalacji wyparnej

Niebezpieczeństwo przegrzania wyparki


Uszkodzenie elementu wykonawczegoUszkodzenie elementu wykonawczegoIlustracja uszkodzenia elementu wykonawczego

Politechnika Warszawska, Instytut Automatyki i Robotyki

PV

CV

Juice level in evaporator PV and CV values

Time [s]

30

34

38

42

46

50

54

58

62

0 500 1000 1500 2000 2500

CV

PV

Wpływ niektórych uszkodzeń moŜe być kompensowanyprzez układ regulacji automatycznej

Czas [s]

Poziom soku w wyparce PV i wartość sygnału sterowania elementu wykonawczego CV


Doświadczalna metoda wyznaczania wartości

współczynnika Kv zaworu

Wartość liczbowa Kv jest równa wartości strumienia objętości płynu przepływającego przez zawór w [m3/h] przy spadku ciśnienia na zaworze równym

100kPa

[ ] kPaPv hmQK 1003 / ==

Charakterystyki przepływowe zaworówCharakterystyki przepływowe zaworów

Charakterystyki przepływowe zaworów są zaleŜne od geometrii zaworówSpotykane są najczęściej charakterystyki:1. Szybko-otwierająca - w której w stanach bliskich pełnego otwarcia występuje niewielka zmiana Kv 2, Liniowa - realizująca liniową zaleŜność strumienia od przemieszczenia grzyba zaworu3. Stałoprocentowa - w której te same zmiany względnego otwarcia zaworu wywołują takie same

względne zmiany strumienia przepływu

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100

X[%]

Kv[

%]

Szybko-otwierająca

Liniowa

Stałoprocentowa

Otwarcie zaworu


Zjawiska: wrzenia i kawitacji Zjawiska: wrzenia i kawitacji Ciśnienie Ciśnienie vena contractavena contracta

Ilustracja efektu vena contracta

strumień

p1 p2 (kawitacja)

odległość

p2 (wrzenie)

ciśnienie

pv

vena contracta

pvc

p1p2


Supply pressure in [kPa]

Re

lativ

e p

isto

n d

isp

lace

me

nt i

n [%

]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Nominal stroke 38,1 mm. Valve diameter DN80.

Problem Problem -- tarcie w urządzeniu wykonawczymtarcie w urządzeniu wykonawczymWyniki badań laboratoryjnych

Przykładowa charakterystyka statyczna membranowego siłownika pneumatycznego

histereza 10 %

Ciśnienie zasilania w [kPa]

Skok nominalny 38,1 mm. Zawór DN80

Przemieszczenie tłoczyska w [%]


Kompensacja efektu histerezy tarciowejKompensacja efektu histerezy tarciowejWyniki badań eksperymentalnych

Charakterystyka statyczna zespołu: siłownik pneumatyczny i ustawnik pozycyjny

Histereza jest mniejsza niŜ 0.5%Liniowość jest lepsza niŜ 0.8 %

0

20

40

60

80

100

120

0 7,5 17,5 27,5 37,5 47,5 57,5 67,5 77,5 87,5 97,5

Contro l s igna l in [%]

Re

lativ

e p

isto

n r

od

dis

pla

cem

en

t in

[%]

Sygnał wartości zadanej w [%]

Przemieszczenie względne tłoczyska w [%]


Klasyfikacja elementów wykonawczych Klasyfikacja elementów wykonawczych (Grupy klasyfikacyjne)

Elementy wykonawcze♦ pneumatyczne♦ elektropneumatyczne♦ z napędem elektrycznym

Ustawniki pozycyjne♦ z wejściem analogowym♦ z wejściem cyfrowym♦ hybrydowe

Ustawniki pozycyjne♦ klasyczne♦ inteligentne


Element wykonawczy Element wykonawczy -- dynamikadynamikaWymagania na odpowiedź na wymuszenie skokowe

Odpowiedzi na wymuszenia skokowe

Sygnał sterujący CV

Czas regulacji t [s]

CV,PV,X

Zakres tolerancji

Przeregulowanie

Odchyłka regulacji

CV

e


Siłownik pneumatyczny Siłownik pneumatyczny (eksperyment)(eksperyment)Zespół przetwornika elektro-pneumatycznego i siłownika

Wyniki eksperymentalne(bez zaworu regulacyjnego)(siłownik typu 37, zakres nominalny ruchu 38,1 mm)Wejście: I - prąd przetwornika E/PWyjście: X - przemieszczenie tłoczyska

Odpowiedź na wymuszenie skokoweOdpowiedź na wymuszenie skokowe

Ruch tłoczyska odbywa się w kierunku

zamknięcia hipotetycznego zaworu

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40

czas [s ]

X [%

]

Efekt wstępnego napięcia spręŜyny siłownika

Ograniczniki ruchu

Ekstrapolacja wybiegutłoczyska siłownika


Wyraźna asymetria odpowiedzi na symetryczne wymuszenia skokowe

-50

0

50

100

0 5 10 15 20 25 30 35 40

czas[s]

X [%

]

Ekstrapolacja przemieszczenia tłoczyska siłow nika

Siłownik pneumatyczny Siłownik pneumatyczny (eksperyment)(eksperyment)Zespół przetwornika elektro-pneumatycznego i siłownika

Wyniki eksperymentalne(bez zaworu regulacyjnego)(siłownik typu 37, zakres nominalny ruchu 38,1 mm)Wejście: I - prąd przetwornika E/PWyjście: X - przemieszczenie tłoczyska


Podstawowe elementy ustawnikaPodstawowe elementy ustawnikaSprzeczność - wymagania - moŜliwości konstrukcyjne

Przetwornik

E/P

InterfejsRS-232

InterfejsRS-485

InterfejsHART

4-20mA

Jednostkacentralna16-bitowa

Klawiatura3/5

przyciskowa

Pomiar (x)przemieszczenia

trzpienia

Interfejsprzetwornika

E/P

Pomiar (t)temperatury

pracy

Pomiar ciśnienia (p1)

przetwornika E/P

Przetwornikelektro-

pneumatyczny

Pomiar ciśnienia (p2)

zasilania

WyświetlaczLCD

176 segmentów

Maksymalny pobór prądu w stanie aktywnym: 3,8 mAMaksymalny pobór mocy w stanie aktywnym: 35mW

Zakres temperatur pracy:- 40..+85°C


PozycjonerPozycjonerPrzykład konstrukcyjnego schematu blokowego pozycjonera z interfejsem HART

1 Indukcyjny przetwornik przemieszczeniatrzpienia grzyba zaworu

2 Jednostka mikroprocesorowa realizującazadania regulacyjne

3 Zawór sterujący4 Zawór sterujący5 Jednostka mikroprocesorowa realizująca

zadania komunikacyjne6 Zawór redukcyjny ciśnienia7 Zasilanie pneumatyczne 8 Wejście sygnału sterującego HART


PozycjonerPozycjonerPrzykład konstrukcyjnego schematu blokowego pozycjonera z interfejsem HART

µC

µC

DAD

AWejście HARTlub 4 .. 20 mA

FSK

& PWM

Odpowietrzanie

Wymuszone odpowietrzenie

Napowietrzanie

Zasilanie pneumatyczne

140..600kPa


PozycjonerPozycjonerPrzykład algorytmu sterowania ciśnieniem metodą PWM

Okres modulacji = 35ms

Typ modulacji: PWMtmax

t50

tmin

T=35 ms

t [s]

eZakres

proporcjonalny

Y[%]=t * 100%

TZalety: - niska cena- prosta konstrukcja- proste sterowanie- niskie zuŜycie własne powietrza

Wady: - ograniczona trwałość- hałas- niska dynamika


Ustawnik pozycyjnyUstawnik pozycyjnyStruktura ustawnika A-785

y

+uGain

-1000,0 .. 1000,0%

GAIN SP

e

-

-10000 .. 10000%

GAIN KP

HISTH DEAD

Controller

MAN PWM

0 .. Cur HI

Manual PWM

+

OFFSET

-1000,0 .. 1000,0%

Biass

Gain

-1000,0 .. 1000,0%

GAIN PV

-1000,0 .. 1000,0%

ALARMS

sp

(100%-sp)

REVERS

modeRevers

0 ... 1500 uA

Cur LO

E/P Transducer

ym

G (s)

Actuator

PV LOWPV HIGH

Normalisation

0 .. 100%

ym

A U T O

Potentiometr

ALAR HIALAR LO

0 .. Cur HI

Manual E/PcontrolE/P control

MANUAL

12

3 4

2 G (s)1

& correction

Cur MICur HI

SPManual

control-1000,0 .. 1000,0%

GAIN SP=100%

Normalisation

SP LOW

4 .. 20 mA

SP HIGH

0 .. 100%

& correction

CORR. 1CHECK 1

CORR. 2CHECK 2

II order

FILTER

0 .. 100,0s

lag filter

Ti Td

k = 100

BOOSTER

vPID


Przykład rozwiązania przetwornika Przykład rozwiązania przetwornika elektropneumatycznego elektropneumatycznego


WYMAGANIA

1 W stanie ustalonym w obu komorachsiłownika musi być utrzymywane ciśnienierówne co najmniej połowie ciśnienia zasilania

2 Dokładność pozycjonowania 0,1%3 Powtarzalność pozycjonowania 0,1%4 Zakres ciśnień pracy 140..1000kPa5 Zakres temperatur pracy -40..+85°C6 Maksymalna elektryczna moc sterowania

zaworów: 1 mW7 Brak efektu typu stick-slip, aperiodyczny

przebieg przejściowy8 Niskie zuŜycie własne powietrza (20Nl/h) 9 Bardzo wysoka trwałość (min. 107 cykli)

10 Konkurencyjna cenap

z

pz


Typowym sygnałem wyjściowym jest sygnał siły lub momentu

Typowym sygnałem wejściowym jest sygnał 4..20mA

Sygnałem wyjściowym jest sygnał nastawiający

Elektromechaniczny element wykonawczyElektromechaniczny element wykonawczydefinicje

Siłownik elektrycznyjest elementem wykonawczym w układzie sterowania przetwarzającym energię elektryczną na mechaniczną (siła, moment obrotowy).

Sygnałem wejściowym jest sygnał wartości sterującej CV


Elektromechaniczny element wykonawczyElektromechaniczny element wykonawczyOsprzęt


Nadajnik połoŜeniaurządzenie odwzorowujące połoŜenie elementu wyjściowego w sposób ciągły za pomocą sygnałów elektrycznych, które mogą być wykorzystywane w układach regulacji automatycznej.

Wskaźnik połoŜeniaurządzenie słuŜące do wzrokowego określenie połoŜenia wyjściowego elementunastawczego.

Wyłącznik połoŜeniowy krańcowywyłącznik zamykający lub otwierający obwód elektryczny siłownika po osiągnięciunastawionego połoŜenia

Wyłącznik połoŜenia pośredni - wyłącznik przeznaczony do sygnalizacji lub wysyłaniasygnałów do sterowania urządzeniami współpracującymi, w momencie osiągnięciaprzez element wyjściowy nastawionego połoŜenia pośredniego między połoŜeniaminastawionymi wyłącznikami połoŜenia krańcowego.


Elektromechaniczny element wykonawczyElektromechaniczny element wykonawczyUrządzenia dodatkowe


Luzownik (hamulec)urządzenie, które po zasileniu napięciem, odblokowuje ruch wirnika silnika napędowego, a przy zaniku napięcia zasilającego blokuje ruch wirnika silnika napędowego. Luzownik ogranicza drogę wybiegu elementu wyjściowego oraz utrzymuje go w połoŜeniu, w którym znajdował się w chwili zaniku napięcia zasilającego.

Zespół napędu ręcznegourządzenie połączone z przekładnią redukcyjną, umoŜliwiające ręczne przesunięcieelementu wyjściowego

Układ przeciąŜeniowyurządzenie nastawne umoŜliwiające ograniczenie siły wyjściowej lubmomentu wyjściowego zabezpieczające przed skutkami przeciąŜenia


Elektromechaniczny element wykonawczyElektromechaniczny element wykonawczyDefinicje


Siłownik regulacyjnysiłownik przeznaczony do pracy w zamkniętych układach regulacji automatycznej

Siłownik sterowniczysiłownik przeznaczony do pracy w otwartych układach regulacji automatycznej

Siłownik stałoprędkościowysiłownik, którego element wyjściowy porusza się w określonym kierunku ze stałą prędkością

Siłownik zmiennoprędkościowy (siłownik ze sterowana prędkością)siłownik, którego element wyjściowy porusza się w określonym kierunku z prędkością zaleŜną od wartości sygnału sterującego.


Elektromechaniczny element wykonawczyElektromechaniczny element wykonawczy„ siłownik elektryczny”

Klasyfikacja♦ liniowe♦ wahliwe♦ obrotowe


Elektromechaniczny element wykonawczyElektromechaniczny element wykonawczysiłownik liniowy

Siłownik, którego element wyjściowywykonuje ruch posuwisto-zwrotny


Napęd zaworów grzybowych, szklankowych, zasuw itp.


Elektromechaniczny element wykonawczyElektromechaniczny element wykonawczysiłownik wahliwy

Siłownik, którego element wyjściowywykonuje ruch obrotowy o zakresie nie przekraczającym kąta pełnego


Napęd zaworów kulowych, zasuw i klap regulacyjnych


Elektromechaniczny element wykonawczyElektromechaniczny element wykonawczysiłownik obrotowy

Siłownik, którego element wyjściowywykonuje ruch obrotowy na drodze kątowej o zakresie przekraczającym kąt pełny


Elektromechaniczny element wykonawczyElektromechaniczny element wykonawczysiłownik liniowy - przykładowy zestaw parametrów technicznych


ZasilanieSiła nominalnaPrędkośćSkokStopień ochronyPozycja pracyRodzaj pracyMasa

24 V lub 220 V; f=50...60 Hz600 N0,2 mm/s20 lub 25 mmIP54DowolnaS2 15 min lub S4 25% 320 c/h~3 kg


Elektromechaniczny element wykonawczyElektromechaniczny element wykonawczysiłownik liniowy - przykładowy zestaw parametrów technicznych


ZasilanieSiła nominalnaPrędkośćSkokStopień ochronyPozycja pracyRodzaj pracyTemperatura pracyMasa

220/380 V; f=50...60 Hz6,3...40 kN25 ... 160 mm/min25 ... 160 mmIP54DowolnaS2 15 min lub S4 25% 1200 c/h-25C...+70C~30 kg


Elektromechaniczny element wykonawczyElektromechaniczny element wykonawczysiłownik obrotowy - przykładowy zestaw parametrów technicznych


ZasilanieMoment nominalnyPrędkość kątowaStopień ochronyPozycja pracyRodzaj pracyTemperatura pracyMasa

220/380 V; f=50...60 Hz150 Nm10 lub 25 mm/minIP54DowolnaS2 15 min lub S4 25% 630 c/h-25C...+55C~25 kg


Diagnostyka w elementach wykonawczychDiagnostyka w elementach wykonawczychGłówne zadania i oczekiwane efekty


� Detekcja uszkodzeń

� Lokalizacja uszkodzeń

� Sygnalizacja diagnoz

• Redukcja strat w stanach z uszkodzeniami

• Uniknięcie stanów awaryjnych

• Obsługa serwisowa na podstawie stanu urządzenia

• Znaczna redukcja kosztów serwisu

• MoŜliwość diagnozowania urządzeń zabudowanych

w miejscach trudno dostępnych


Zbiór uszkodzeńZbiór uszkodzeńUszkodzenia zaworu + uszkodzenia siłownika

f1 - zablokowanie zaworu przez ciało obcef2 - zmiana charakterystyki przepływowej w wyniku zjawiska sedymentacjif3 - zuŜycie erozyjne zaworuf4 - wzrost sił tarcia w dławicy lub w gnieździef5 - przeciek zewnętrzny medium f6 - przeciek wewnętrzny medium f7- wystąpienie zjawiska kawitacji

Uszkodzenia zaworuUszkodzenia zaworu

Uszkodzenia siłownikaUszkodzenia siłownikaf8 - skrzywienie tłoczyska siłownikaf9 - nieszczelność komory siłownika lub przyłączy pneumatycznychf10 - przebicie membrany siłownikaf11 - uszkodzenie spręŜyny


Zbiór uszkodzeńZbiór uszkodzeńUszkodzenia ustawnika + uszkodzenia zewnętrzneUszkodzenia ustawnika + uszkodzenia zewnętrzne

Uszkodzenia ustawnikaUszkodzenia ustawnika

Uszkodzenia zewnętrzneUszkodzenia zewnętrzne

f12 - uszkodzenie przetwornika e/pf13 - uszkodzenie toru pomiarowego połoŜenia Xf14 - uszkodzenie czujnika ciśnienia Pf15 - uszkodzenie mechanicznego toru sprzęŜenia zwrotnego

f16 - spadek ciśnienia zasilania pozycjoneraf17 - spadek lub wzrost ciśnienia przed lub za zaworem f18 - otwarty lub nieszczelny tor obejścia zaworuf19 - uszkodzenie toru pomiarowego przepływu F.



Diagnostyka bieŜącaDiagnostyka bieŜącaWizualizacja uszkodzeń


Siłownik pneumatyczny Siłownik pneumatyczny Przydatność diagnostyczna charakterystyki statycznej układu otwartego

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 120

120

100

80

60

40

20

0

x [%]

p [kPa]

Fvc=constFf =const

e

f

A

Fp

2=∆ s

f

k

Fx

2=∆

s

e

k

A

p

x =∆∆



0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 120

120

100

80

60

40

20

0

x [%]

p [kPa]

Fvc=constFf =const

e

f

A

Fp

2=∆ s

f

k

Fx

2=∆

uszkodzenie f4

Efekt wzrostu siły tarcia e

f

A

Fp

2=∆



0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 120

120

100

80

60

40

20

0

x [%]

p [kPa]

Fvc=constFf =const

e

f

A

Fp

2=∆ s

f

k

Fx

2=∆

uszkodzenie f11

Zmniejszenie sztywności spręŜyny siłownika (np: korozja spręŜyny)s

e

k

A

p

x =∆∆



uszkodzenie f16

Spadek ciśnienia zasilania

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 120

120

100

80

60

40

20

0

x [%]

p [kPa]

Fvc=constFf =const

e

f

A

Fp

2=∆

s

f

k

Fx

2=∆

0=∆p

0=∆p



Uszkodzenie f1

Zablokowanie zaworu

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 120

120

100

80

60

40

20

0

x [%]

p [kPa]

Fvc=constFf =const

e

f

A

Fp

2=∆ s

f

k

Fx

2=∆

0=∆x

0=∆x


Detektor akustyczny nieszczelności zaworu

Problem detekcji nieszczelności zaworuProblem detekcji nieszczelności zaworuDiagnostyka wbudowana


Sygnalizator graniczny ciśnienia

Problem szczelności pakietu uszczelnień Problem szczelności pakietu uszczelnień Diagnostyka wbudowana

Proste, niezawodne rozwiązanie problemu detekcji nieszczelności pakietu uszczelnień


Czujnik ciśnienia

Problem diagnostyki bieŜącej Problem diagnostyki bieŜącej Diagnostyka wbudowana

Kontrola wiarygodności sygnału ciśnienia w komorze siłownika


px


Uszkodzenie toru sprzęŜenia zwrotnegoUszkodzenie toru sprzęŜenia zwrotnegoBadania symulacyjne uszkodzenia toru sprzęŜenia zwrotnego w ustawniku

Symulacja układu regulacji automatycznej w stanie z uszkodzeniem toru sprzęŜenia zwrotnego ustawnika pozycyjnego.Zerowy sygnał sprzęŜenia zwrotnego został zastąpiony sygnałem o wartości 100% po czasie 250s.

Układ regulacji działa niepoprawnie. Warunkiem koniecznym kompensacji uszkodzenia toru sprzęŜenia zwrotnego ustawnika jest zachowanie relacji PVp<CV


Problem tolerancji uszkodzenia toru Problem tolerancji uszkodzenia toru sprzęŜenia zwrotnegosprzęŜenia zwrotnego


Sensor wirtualny

sp

x~p1p2

u

Detektor uszkodzenia

SP

f11Xx~t

p1 x p1 x~


Siłownik pneumatyczny Siłownik pneumatyczny Bilans siłBilans sił

Histereza <> efekt sił tarcia

Bilans sił kierunek ruchuw dół

ps

ks

Ae kd

Fn

xd

ks - stała spręŜyny kd - stała membrany Ae - powierzchnia efektywna membrany ps - ciśnienie powietrza w komorze Fn - składowa normalna siły w dławicy Fp - siła czynna Fg - siła cięŜkościFs - siła napięcia spręŜyny Fd - siła napięcia membrany Ffv - siła tarcia wiskotycznegoFfC - siła tarcia CoulombaFvc- siła hydrostatyczna (vena contracta)FdA- siła d’Alembert’ax - przemieszczenie tłoczyskaxo - ugięcie wstępne spręzynym - masa elementów ruchomych

01

=∑=

n

iiF

gvcfdspd FFFFFF −+−+=

gvcfdspu FFFFFF −+++=

fpdpu FFF 2=−

Fp Fd

Fs

Ff

FvcFg

Fg


Siłownik pneumatyczny Siłownik pneumatyczny Równanie ruchuRównanie ruchu

Równanie dynamicznej równowagi sił

01

=∑=

n

iiF

m

Fg

Fp

Fs Fd

x

FfvFfC

Fvc

FdA

FN

),,,,2,1,(

)sgn(

)(

)(

0

0

ρα

µ

KvFPPxfF

xmF

xkF

FxF

xxkF

xxkF

ApF

vc

dA

vfv

fNfC

dd

ss

esp

==

=

=+=+=

=

&&

&

&

esdsvcdsNv ApmgxkkxFxkkFxsignxkxm =−++−++++ 0)()()()( µ&&&&

ds kk >>


Symulacja elementu wykonawczegoSymulacja elementu wykonawczegoPrzypadek symulacji sterowania strumienia wody napływowej do kotła energetycznego


Ustawnik Siłownik

f18

f17

f17

f17 - spadek lub wzrost ciśnienia na zaworze

f19 - uszkodzenie przetwornika przepływuf18 - otwarcie zaworów obejściowych

f19Zawór


20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 25 30 35 40

time[s]

X [%

]

Siłownik pneumatyczny Siłownik pneumatyczny (model symulacyjny)(model symulacyjny)Zespół przetwornika elektro-pneumatycznego i siłownikaWyniki symulacji, dobór parametrów modelu

Wyniki badań symulacyjnych

Wyniki z badań eksperymentalnych

75% 75%

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20

time[s]

X [%

]

13.8 s13.8 s

Wyniki z badań eksperymentalnych

Wyniki badań symulacyjnych


Przykład modelowania strumienia przepływuPrzykład modelowania strumienia przepływuPrzypadek symulacji sterowania strumienia wody napływowej do kotła energetycznego


Strumień Q

Przemieszczenie tłoczyska X

Wartość zadana strumienia przepływu

czas [s]


Elementy wykonawczeElementy wykonawczeUwagi końcowe


Współczesne urz ądzenia wykonawcze automatyki:- mają zdolności komunikacyjne (reguła)- mają zaimplementowane zdolności adaptacyjne - samostrojenie (reguła)- mają zdolności do sygnalizacji przekroczeń alarmowych (reguła)- mają zdolności do wnioskowania diagnostycznego w trybie on-line (wyjątkowo)- mają moŜliwość walidacji pomiarów (SEVA) (wyjątkowo)Współczesne urz ądzenia wykonawcze automatyki:- muszą być zgodne z wymaganiami IEC dotyczącymi kompatybilności

elektromagnetycznej (w zakresie odporności i emisyjności) IEC 61000-4-3 - odporność na pole elektromagnetyczneIEC 61000-4-5 - odporność na zakłócenia napięcioweIEC 61000-4-6 - odporność na zakłócenia w paśmie fal radiowychIEC 61000-4-8 - odporność na pole magnetyczneIEC 61000-4-11 - odporność na zaniki zasilaniaIEC 1000-4-2 - odporność na wyładowania elektryczne

- powinny być zgodne z projektem normy IEC 61514-2(ustawniki inteligentne z wyjściem pneumatycznym)


INTELIGENTNE ELEMENTY WYKONAWCZE …zkup.mchtr.pw.edu.pl/pom_dyd/SMM/SMM_05_Elementy wykonawcze... · V2 ps F Politechnika Warszawska, Instytut Automatyki i RoboPolitechnika Warszawska,

Documents