Bevezetés... 4 1 Az irányítástechnika tárgya... 5 1.1 Az irányítás alapműveletei... 6 1.2 Irányítási rendszer felépítése... 7 1.2.1 Jelek csoportosítása... 7 1.3 Az irányítási rendszer és részei... 9 1.3.1 Szerkezeti vázlat... 10 1.3.2 Működési vázlat... 11 1.3.3 Hatásvázlat... 12 1.3.3.1 Tömbvázlat... 12 1.3.3.2 Jelfolyamábra... 13 1.4 Irányítástechnika felosztása... 13 1.4.1. Vezérlés... 14 1.4.2 Szabályozás... 17 1.5 Vezérlés és szabályozás összehasonlítása... 18 2 A vezérléstechnika matematikai alapjai... 22 2.1 Számrendszerek... 22 2.1.1 Tízes (decimális) számrendszer... 22 2.1.2 Kettes ( bináris) számrendszer... 22 2.1.3 Nyolcas (oktális) számrendszer... 23 2.1.4 Tizenhatos ( hexadecimális) számrendszer... 23 2.1.5 Számábrázolás különböző számrendszerekben... 23 2.1.6 Binárisan kódolt decimális számok (BCD)... 24 2.1.7 Számrendszerek átalakítása... 24 2.2 Logikai (Boole) algebra... 24 2.2.1 Logikai mennyiségek és összefüggések leírása és ábrázolása... 25 2.2.2 Logikai algebra alapműveletei... 25 2.2.2.1 Logikai összeadás... 25 2.2.2.2 Logikai szorzás... 26 2.2.2.3 Logikai tagadás, inverz képzés... 27 2.2.2.4 Az alapműveletek alapazonosságai... 29 2.2.2.5 A kapcsolási algebrában érvényes törvények... 29 2.2.2.6 A logikai kifejezések egyszerűsítéséhez, azonos átalakításához felhasználható további azonosságok... 29 2.2.2.7 A De Morgan tételek... 30 2.2.3 Logikai függvények... 30 2.2.3.1 Egy változó logikai függvényei... 31 2.2.3.2 Két változó logikai függvényei... 32 2.2.3.3 Logikai függvények közötti összefüggések... 33 2.2.3.4 Szabályos függvény alakok... 37 2.2.4 Logikai függvények egyszerűsítése... 38 2.2.4.1 Algebrai egyszerűsítés... 38 2.2.4.2 Grafikus egyszerűsítés... 39 2.2.4.3 Numerikus egyszerűsítés... 46 3 Logikai hálózatok... 51 3.1 Kombinációs hálózat... 51 3.2 Sorrendi hálózat... 52 3.2.1 Aszinkron hálózat... 53 3.2.2 Szinkron hálózat... 54 3.3 Példa kombinációs hálózatra... 54 1
3.4 Példa aszinkron hálózatra... 56 3.5 R-S tárolók... 57 3.6 Mester-szolga J-K tároló... 60 3.7 D-tároló... 62 3.8 Szinkron sorrendi hálózatok tervezése... 63 3.9 Egyéb funkcionális hálózatok... 66 3.9.1 Léptető regiszter (shift)... 66 3.9.2 Bináris aszinkron számláló... 67 4 Elektromechanikus relék... 68 4.1 Az elektromechanikus relé működése... 69 4.2 Különleges relék... 72 4.3 Relés alapkapcsolások... 73 4.3.1 Elengedésre kitüntetett soros öntartó áramkör... 73 4.3.2 Elengedésre kitüntetett mellékzáras öntartó kapcsolás... 74 4.3.3 Meghúzásra kitüntetett soros áramkör... 75 4.3.4 Meghúzásra kitüntetett mellékáras kapcsolás... 76 4.4 Kétrelés kapcsolások... 77 4.4.1 Kereszt reteszelés 2 üzemszerű állapottal... 77 4.4.2 Keresztreteszelés 3 üzemszerű állapottal... 77 4.4.3 Kettes alapú számláló... 78 4.5 Konjunktív számláló kapcsolás... 79 4.6 Sorrendi áramkör... 79 4.7 Általánosan tetszőleges sorrendi relés hálózatok tervezése... 80 4.8 Vezérlések tápellátása... 85 4. 9 Vezérlési példák... 86 4.9.1 Irányváltó kapcsolás... 86 4.9.2 Csillag- háromszög indítás időrelével... 88 4.9.3 Dahlander motor kapcsolása két fordulatszámra, egy forgásirányra... 89 4.9.4 Asztal ingamozgásának vezérlése... 91 5 Vezérlések tervezése... 92 5.1 A vezérlések tervezésének fázisai... 92 5.1.1 A feladat kitűzése... 92 5.1.2 A megoldás fokozatos megközelítése... 93 5.1.3 Végső megoldás kialakítása... 94 5.2 Műszaki kiviteli terv... 95 5.2.1 Műszaki leírás:... 96 5.2.2 Mellékletek... 97 5.2.3 Tervrajzok... 98 5.2.4 Kábeljegyzék... 99 5.2.5 Anyagjegyzék... 99 5.3 Gyártási terv... 99 6 Tervezési példa... 100 6.1 Szállítószalag rendszer tervezése... 100 6.1.1 A feladat megfogalmazása... 100 6.1.2 Ütemterv... 102 6.1.3 A szállítószalag hatásvázlata... 107 6.1.4 A szállítószalag áramút terve... 109 6.2 Tartály folyadékszintjének jelzése... 111 7 Félvezetős logikai elemek... 114 7.1 Logikai szintek... 114 2
7.2 Logikai áramkörök... 114 7.2.1 Diódás logikai áramkörök... 114 7.2.2 Tranzisztoros inverter... 116 7.2.3 Inverter kapcsolások... 118 7.2.4 Összetett tranzisztoros logikai áramkörök... 122 7.3 TTL áramkörcsalád... 124 7.3.1 Multiemitteres NAND kapu felépítése és transzferkarakterisztikája... 124 7.3.2 TTL NOR logikai kapcsolás... 126 7.3.3 Nyitott kollektoros kapcsolás... 127 7.3.4 Három állapotú kimenet (Three-state)... 127 7.3.5 A TTL áramkörök jellemzői... 128 7.3.6 TTL áramkör sorozatok... 129 7.3.7 A TTL áramkörök összekötése és terhelésük... 131 7.3.8 Szabad bemenetek elkötése... 132 7.4 Digitális MOS áramkörök... 133 8. Programozható Logikai Vezérlő... 136 8.1 Kötött programozású vezérlő... 138 8.1.1CPU-k felépítése:... 138 8.1.2 Vezérlési módok... 139 8.2 Szabadon programozható vezérlők... 140 8.2.1 Moduláris felépítésű szabadon programozható vezérlő... 141 8.2.2 Kompakt rendszerű PLV... 143 8.2.3 Watch dog (Őrző kutya)... 149 8.2.4 A program feldolgozásának lehetőségei... 149 8.3 Szállítószalag vezérlés PLC-vel... 154 9. Automatizálási rendszer megvalósítása PLV-vel... 157 Irodalomjegyzék... 158 3
Bevezetés Közel másfél évszázaddal ezelőtt az elektromechanikus relé kifejlesztésével megkezdődhetett a villamos vezérléstechnika fejlődése. A relé rendszertechnikai alkalmazására a múlt század végén a telefon feltalálásával és annak kiépítésével került sor. A két világháború között bizonyos alkalmazásokban az elektroncső váltotta fel a reléket, ezáltal nagyobb kapcsolási sebességet értek el. Az elektroncső korlátozott élettartama határt szabott a vezérléstechnikai alkalmazásában, és hamarosan a tranzisztor teljes mértékben kiszorította azt. A relék nagyon sok helyen, főleg ipari területen megtartották szerepüket. Az ötvenes évektől a fejlesztés tranzisztoros modulrendszerek kialakítása irányába tolódott el. A félvezetők gyártástechnológiai fejlesztése eredményeképpen az egyedi tranzisztoros kapcsolásokat az alacsony integráltságú félvezetők váltották fel. A vezérléstechnika rohamos fejlődésnek indult. Áramkörcsaládok, és ezen belül tucatnyi funkcionális egység került piacra. Kisebb bonyolultságú vezérlések esetében is felvették a versenyt a gazdaságosság szempontjából. Természetesen a relék alkalmazását az elektronika fejlődése nem szüntette meg. A tirisztorok és triacok megjelenése nem szorította ki a reléket, hiszen a relék előnyét- a galvanikus leválasztást- a félvezetők nem biztosították. A galvanikus leválasztás és a teljesítményerősítés a reléknek azok a fő előnyei, melyek miatt a reléket általánosan alkalmazzák a félvezetős, mikroprocesszoros vezérlések korszakában is. Az irányítástechnika gyakorlati megvalósításában robbanásszerű fejlődés az 1980-as években kezdődött. Ezt a fejlődést a mikroprocesszor vezérléstechnikai alkalmazása tette lehetővé. Egyetlen építőkockában nagyon sok logikai funkciót nagyon rövid idő alatt és kis villamos fogyasztás mellett valósít meg. Számításokat végez, szabályoz és vezérel számunkra már természetesnek tűnő készülékeket. Az irányítástechnikai szakemberek időben felismerték a processzor aritmetikai lehetőségét, és főleg ezen a területen használták. A mikroprocesszor felhasználásához szükség volt egy kommunikációs felületre, gépi kódú nyelvek kifejlesztésére. Egyre inkább jelentek meg a processzortól függő programozási nyelvek. 70-es évek végén került kidolgozásra a processzortól független PLM programozási nyelv, amely megfelelő fordító felhasználásával az Intel processzorcsalád magas szintű programnyelvvel történő programozását tette lehetővé. 4
1 Az irányítástechnika tárgya A vezérléstechnika, mint az irányítástechnika egyik ága az első ipari forradalommal indult fejlődésnek, azonban széleskörű elterjedése, tudományos szintű kidolgozása a villamosítás elterjedésével vált lehetségessé. Míg kezdetben csak az ember fizikai erejét, munkavégző képességét gépek vették át, az irányítást továbbra is ember végezte. Másfél évszázaddal ezelőtt a pneumatika, hidraulika és villamos berendezések fejlődése lehetővé tette, hogy az ember termelésirányító tevékenységét is gépek berendezések vegyék át. A tudományos műszaki forradalom egyik fontos tényezője az ember irányító szerepének kiváltása a folyamatok ellenőrzésében, automatizálásában. Új tudományágak alakultak ki. A termelési folyamatok lényege, hogy a folyamat során alapanyagok feldolgozása, átalakítása során kész vagy félkészterméket készítenek. Az anyagok megmunkálásához energiára van szükség, amely a megmunkálás során szintén átalakul. Az irányításrendszernek legyen az emberi kézi, vagy önműködő feladata, hogy a termelési folyamatba bevezetett anyag a bemenő energia felhasználásával a kívánt paraméterekkel minőségi követelméanyanyeknek megfelelő termék készüljön a felhasználásra kerülő energia optimális kihasználásával. Az automatizálás elméletével és műszaki megvalósításával az irányítástechnika foglalkozik. Az irányítástechnika a műszaki tudományoknak az az ága, amely az önműködő irányítás törvényszerűségeinek és gyakorlati megvalósításával foglalkozik. Az irányítástechnika illetve ezen belül a vezérléstechnika és szabályozástechnika terminológiáját szabvány rögzíti. Az MSZ 18450 1 lap alapján az irányítás olyan művelet, amely valamely folyamatot elindít, fentart, megváltoztat vagy megállít. Az irányítást kézi és önműködő irányításra osztjuk fel. - Kézi irányítás az irányításnak az a módja, amikor az irányítás valamelyik részműveletét kezelő személy végzi. - Önműködő irányítás az irányításnak az a módja, amikor valamennyi irányítási részműveletet kezelő beavatkozása nélkül megy végbe. 5
1.1 Az irányítás alapműveletei Az irányítási folyamatot elemezve megállapíthatóak azok az alapműveletek, amelyek mind a kézi mind az önműködő irányítás során megvalósulnak. Érzékelés: értesülés információ szerzés az irányítás tárgyát képező folyamatról. Ítéletalkotás: döntés az értesülés alapján a rendelkezés szükségességéről Rendelkezés: utasítás a beavatkozásra Beavatkozás: az irányítás tárgyát képező folyamat befolyásolása a rendelkezés alapján 1. ábra A b folyamatba bevezetett anyag A k félkész vagy késztermék E b átalakításhoz szükséges energia E k átalakult vagy hulladék energia 6
1.2 Irányítási rendszer felépítése Az irányított folyamatot és az irányító berendezést együtt irányítási rendszernek nevezzük. Az irányítási rendszer szerverekből áll. Az irányítási folyamat a szervek egymásra hatásából valósul meg. A szervek több elemből állhatnak. Az elem irányítástechnikai szempontból tovább nem bontható szerkezeti rész. A szervek egymáshoz kapcsolódása alkotja az irányítási láncot. Az irányítási láncban szereplő elemek egymásnak jeleken keresztül adják át az irányításhoz szükséges információt. Minden szervnek Be- és Kimenő jele van. A szervet a bemenő jel készteti működésre (ok-okozat). Tárgyalásunk során visszahatásmentes szerveket tételezünk fel. A termelési folyamatot befolyásoló hatások a szerveken, az az elemeken keresztül haladnak míg kívánt mértékben beavatkoznak. Jelnek az irányítási lánc elemein keresztül haladó hatásokat nevezzük. A szabvány megfogalmazása szerint Jel: valamely fizikai állapothatározó mennyiség minden olyan értéke vagy értékváltozása, amely egy egyértelműen hozzárendelt információ szerzésére, továbbítására vagy tárolására alkalmas. Jellemzőnek nevezzük azokat az állapothatározókat, amelyek az irányított folyamat állapotát jellemzik, vagy befolyásolják. Pl. nyomás, hőmérséklet, fordulatszám, villamos feszültség, stb. A jellemző értéke vagy értékváltozása is jel. A jel legfontosabb jellemzője, hogy olyan állapot vagy állapotváltozás, amelyhez egyértelmű információ tartozik. 1.2.1 Jelek csoportosítása A jeleket az alábbiak szerint oszthatjuk fel: - Értékkészlet - Időbeli lefolyás - Az információ megjelenési formája szerint - Az érték meghatározottsága szerint Az értékkészlet szerint: Folytonos a jel, ha értelmezési tartományában tetszés szerinti értéket felvehet Szakaszos, nem folytonos a jel, ha értelmezési tartományában nem vehet fel tetszés szerinti értéket Az időbeli lefolyás szerint: Folyamatos a jel, ha értékkészlete adott időtartományban bármelyik időpontban változhat. Szaggatott, nem folyamatos a jel, ha értékkészlete adott időtartományban nem minden időpontban változhat. (csak meghatározott időközönként és időtartamban szolgáltat információt) Az információ megjelenítési formája szerint: 7
Analóg a jel, ha az információt a jelhordozó értéke vagy értékváltozása közvetlenül képviseli. Digitális a jel, ha az információ a jelhordozó számjegyet kifejező diszkrét, jelképi értékében (kódjaiban) van jelen. 2. ábra 8
Az érték meghatározottsága szerint Determinisztikus a jel, ha értéke meghatározott időfüggvénnyel egyértelműen megadható. Sztochasztikus a jel, ha szabálytalan lefolyású, és csak valószínűség számítási módszerekkel írható le. 3.ábra 1.3 Az irányítási rendszer és részei A szabvány terminológiája alapján Az irányítási rendszer az irányított rendszert (berendezést) és az irányító berendezést foglalja magában. Az irányított rendszer olyan, az irányítástól egyébként függetlenül meglevő műszaki létesítmény, berendezés, gép stb., amely az irányítás tárgyát képezi. Az irányító rendszer mindazon szervek és készülékek összessége, amelyek együttműködése révén az irányított rendszer irányítása megvalósul. Az irányító szervek jeleinek illetve jellemzőinek megváltozása közvetíti azt a hatást, amely alapján az irányított rendszer jellemzőit befolyásoljuk. Minden egyes állapothoz egy energiaszint tartozik, ezért a változásokhoz a rendszer energiaszintjének megváltozása szükséges. Tekintettel arra, hogy bármely változáshoz csak véges teljesítmény áll rendelkezésre, így ezek bekövetkezéséhez időre van szükség. A hatások vizsgálatakor egy dinamikus rendszer elemzését kell elvégezni, hiszen minden elem ki- és bemenete közötti kapcsolat matematikai függvénykapcsolattal írható le. Az irányítási rendszer elemek sorozatából épül fel, így a módosító hatásnak elemek sorozatán kell keresztül haladnia ahhoz, hogy az irányított jellemzőt a kívánt irányban befolyásolja. Hatáslánc az irányítási rendszer azon szerkezeti egységeinek sorozata (láncolata), amellyel az irányítási hatást közvetítik. A rendszer szemléltetésére háromféle ábrázolási mód áll rendelkezésünkre. 9
1.3.1 Szerkezeti vázlat Szerkezeti vázlat: az irányítási rendszernek olyan vázlatos vagy jelképes szerkezeti ábrázolása, amely elsősorban a rendszer irányítási szempontból lényeges részeit tünteti fel. Az alábbi kézi feszültség szabályozási példán tekintjük át a rendszerábrázolási módokat. 4.ábra A rendszerváltozó a terhelésre jutó feszültség állandó értéken tartását végzi. A terhelés változása a visszahatások miatt változást eredményez az indukált feszültségben, illetve a generátor belső ellenállásán létrejövő feszültség változás a generátor kapocsfeszültségeinek megváltozását eredményezi. Kézi irányítással a kapcsolóra kötött ellenőrző feszültségmérő jelzése alapján a gerjesztőköri ellenállás változtatásával a generátor mágneses terét olyan módon befolyásoljuk, hogy a kapocsfeszültség az előre meghatározott értékre álljon. A szerkezeti vázlat az irányítási láncban részt vevő szerkezetek elemeket tünteti fel, szemléltetve az egymásra hatást. AM aszinkronmotor n fordulatszámmal hajtja az EG egyenáramú generátor tengelyét. V voltmérő ellenőrzi a generátor kapcsain a feszültséget. R t a fogyasztó ellenállása, amelynek a változása zavart gerjeszt a rendszerben. R a gerjesztőköri ellenállás, amelynek a változtatásával állítható be a kívánt kapocsfeszültség. Az ember, aki az ellenőrző műszer által mutatott értéket hasonlítja össze a beállítani kívánt feszültséggel, és az eltéréstől függően csökkenti, vagy növeli a gerjesztőköri ellenállást. A szerkezeti vázlatból kitűnik, hogy az irányítási láncban milyen berendezések vesznek részt, milyen fizikai jellemzőkkel, jelhordozókkal hatnak egymásra. 10
1.3.2 Működési vázlat Működési vázlat: a hatáslánc szerkezeti részeinek olyan ábrázolási módja, amely e részek irányítástechnikai értelemben funkcionális szerepének jelképi ábrázolásából áll. A szerkezeti részeket téglalapok, a jelek útját, pedig hatásvonalak jelképezik. A nyíl a jel terjedési irányát jelzi. Az előző rendszer ábrázolása működési vázlattal: 5.ábra Példánkból kitűnik, hogy egy készülék, egy berendezés vagy kézi irányítás esetén az ember több irányítástechnika funkciót is elláthat. Az Irányító - és a Különbségképző szerv funkcióit az ember végzi. Fogadja az ellenőrző készülék, feszültségmérő jelét és összehasonlítja az előre meghatározott alapjellel. Az összehasonlítás eredményeként dönt a rendelkezés módjáról, és az R ellenállás értékének változtatásával végrehajtja a beavatkozáshoz szükséges változtatásokat. A végrehajtó szerv a gerjesztő köri ellenállás, amelynek változása a gerjesztőköri áramot változtatja. A gerjesztőköri áram által létrehozott mágneses fluxus avatkozik be az irányított folyamatba, a feszültség indukálásba. Az irányított folyamat jellemzője a generátoron mérhető feszültség értéke, amely függvénye a generátor fordulatszámának, fluxusának és a terhelőáramnak. Azok a jellemzők, amelyek az irányítási láncban nem állíthatóak, nem befolyásolhatók, de az irányított jellemzőt befolyásolják, zavaró jellemzőknek nevezzük. Az a jellemző, amely az irányítási láncban hat az irányított folyamatra és annak változása módosítja az irányított jellemzőt, X m módosított jellemzőnek hívjuk. Minden irányítási rendszerhez elemezni kell az irányított folyamatot és azokat a jellemzőket, amelyek az irányított jellemzőt befolyásolják. Ezekből azt a jellemzőt kell kiválasztani, amely az irányított jellemzőt döntően és a leggazdaságosabban befolyásolja, ez lesz a módosított jellemző, a többi, pedig irányítástechnikai értelemben zavarójellemzőként hat. A rendszerek dinamikai vizsgálatához elegendő, ha a jelek, jellemzők időbeli lefolyását ismerjük eltekintve attól, hogy milyen fizikai mennyiség hordozza a jelet, vagy hogy milyen berendezés, készülék végzi az irányítási funkciót. Vizsgálatunk az elemek, a rendszer bemenetei és kimenetei közötti kapcsolatok időbeli lefolyásának a meghatározására irányul. 11
Formailag azonos a matematikai kifejezéssel írhatunk le fordulatszám változást, feszültségváltozást egy kapcsolásban a vagy egy kemencében a hőmérsékletváltozást. Dinamikai vizsgálat esetén a rendszert hatásvázlatával ábrázoljuk. 1.3.3 Hatásvázlat Hatásvázlat, a hatáslánc elvi elvonatkoztatott ábrázolási módja, amelyben a tagokat és jeleket egyszerű geometriai alakzatok jelképezik. A hatásvázlatban elvonatkoztatunk az egyes tagok belső felépítésétől, működésüket a ki- és bemenőjel közti kapcsolatot definiáló matematikai formulával adjuk meg. Kétféle hatásvázlat terjedt el. - Tömbvázlat - Jel-folyam ábra 1.3.3.1 Tömbvázlat A tömbvázlatban egyszerű geometriai alakzatok jelképezik a hatáslánc jeleit, tagjait és a hatásirányt: a tagok fekvő téglalapok, a hatásláncban haladó jeleket folytonos egyenes vonalak, a hatásirányokat mutatják vonalakra rajzolt nyilak, az elágazási helyeket pedig pontok. A tagokat jelképező fekvő téglalapokban szerepel a tag jellemző függvénye vagy a jelleggörbe. A jelek összegzésének (különbség képzésének) jelképe a negyedekre osztott kör, ahol a negatív előjellel belépő jel körcikkét besötétítjük, vagy az összes jeleket előjellel látjuk el. 6. ábra 12
1.3.3.2 Jelfolyamábra A jelfolyam-ábrában csomópontok és az azokat összekötő ágak jelképezik a hatáslánc jeleit, tagjait és a hatásirányt: a jeleket a csomópontok, a lineáris tagokat az ágak, a hatásirányt az ágakra rajzolt nyilak. Az ágak feletti felirat megadja a tag dinamikai tulajdonságát jellemző matematikai függvényt. 7. ábra Y: a tagok átviteli függvényei. 1.4 Irányítástechnika felosztása Az irányítástechnika felosztását a 8. ábra szemlélteti. 8. Ábra 13
1.4.1. Vezérlés Vezérlés: Az érzékelő szervek által adott jeleket a vezérlőberendezés feldolgozza és a hatásláncon keresztül a beavatkozó szerv a módosított jellemzővel beavatkozik az irányított folyamatba. Az érzékelő szervek nem közvetlenül az irányított jellemzőt érzékelik, hanem olyan jellemzőket, amelyek az irányított jellemzőre közvetett módon hatnak. Ezek a jellemzők az irányított jellemzőre zavaró hatással lehetnek. Amennyiben az érzékelt jellemzők és az irányított jellemző közötti kapcsolat meghatározható, akkor elkészíthető a vezérlőberendezés úgy, hogy a zavarás hatását kitudja küszöbölni. A vezérlés működési vázlatát a 9. ábra mutatja: 9. ábra A vezérlési vonal (lánc) részei Vezérelt berendezés, a vezérléstől függetlenül meglevő műszaki létesítmény (berendezés, gép, stb) amely a vezérlés tárgyát képezi. Vezérlő az olyan szerv, amely a vezető jel vagy jelek, illetve az érzékelő kimenő jelének hatására, meghatározott ( pl. logikai) műveletek elvégzése után létrehozza a rendelkező jelet vagy jeleket). Érzékelő: - vezérlési vonalban- az a szerv, amely valamely, a vezérléstől független fizikai jellemzővel egyértelműen összefüggő jelet ad. Vezető jel (jelek): vezérlési vonalban a vezérlési vonal bemenő jele, amely elindítja, befolyásolja, megállítja a vezérlési műveletet. Rendelkező jel: vezérlési vonalban a vezérlő kimenő jele, amely a vezérlőben lefolyó műveletek eredményeként jön létre. Beavatkozó jel: vezérlési vonalban a beavatkozó bemenő jele, amely a rendelkező jel erősítésével és vagy módosításával jön létre. 14
A vezérléseket különböző szempontok szerint csoportosíthatjuk: A rendelkezés létrejötte szerint A vezető jel alapján A rendelkezés létrejötte szerint megkülönböztethető kézi és önműködő vezérlés Kézi vezérlés: olyan vezérlés, amelyben a rendelkező (beavatkozó) jelet a kezelő személy tevékenysége határozza meg. Önműködő vezérlés: az olyan vezérlés, amelyben a rendelkezést a vezető jel önműködően váltja ki. A vezető jel alapján követő és menetrendi vezérlés különböztethető meg. Követő vezérlés az olyan vezérlés, amelyben az érzékelt vezető jel határozza meg a rendelkező jelet. Menetrendi (program) vezérlés az olyan vezérlés, amelyben a rendelkező jel előre meghatározott terv szerint jön létre. Időterv-vezérlés az olyan menetrendi vezérlés, amelynek a vezető jelét az időterv-tároló szolgáltatja. A rendelkező jel csak az idő függvénye. Lefutó vezérlés az olyan menetrendi vezérlés, amelynek vezető jelét a külső környezetből és a vezérelt folyamat állapotából származtatható feltételek határozzák meg. A rendelkező jel a feltételtárolóban rögzített feltételek összessége és a műveleti (munkaütem) sorrend szerint alakul ki. A vezérlők felosztása a vezérlési feltételek tárolása szerint. Minden vezérlésnél megfogalmazódik az a feladat, amelyet a berendezésnek el kell látnia. A vezérlésnek lépésenkénti vagy a feltételek kombinációjától függő megvalósítását nevezzük a vezérlés programjának. A program határozza meg a vezérlés működését. A vezérlések programozásától függően megkülönböztethető: Huzalozott programozású és Tárolt programozású vezérlők Huzalozott programozású vezérlés esetén a kapcsolástechnikai elemek, relék vagy félvezetős funkcionális egységek megfelelő összekötése egyértelműen meghatározza a program lefutását. Az így készített vezérlés csak az adott technológiával fog működni. A program megváltoztatásához mindenképpen módosításokat kell tenni a huzalozásban, esetleg járulékos elemeket (időrelét stb.) kell beépíteni. 15
A tárolt programozású vezérlések felhasználása esetén a program megváltoztatásához nem szükséges az összekötésekben, a huzalozásban változtatni. A vezérlőkészülék a vezérlés tervezőjétől utasításokban kapja a programot. Az utasítások sorozatát nevezzük felhasználói szoftvernek. Az utasításokat programozó készülékkel vagy PC segítségével a vezérlőkészülék felhasználói programtárolójába (memóriájába) írjuk. A programírás vagy módosítás csak a hardver által megszabott kereten belül lehetséges. A vezérlések programozásától függő felosztását a 10. ábra szemlélteti. 10. ábra Kötött huzalozású vezérlések Amelyeknek a huzalozása csak szerszámmal oldható. Ide tartoznak a forrasztott és csavarkötések. Oldható huzalozású vezérlések Ide tartoznak a diódás mátrix, vagy a keresztsínes (Cross bar) dugaszolható összekötések Kötött programozású Mindazok a tárolt programú vezérlések, amelyek átprogramozását memória chip cserével lehet csak végezni. Állandó paraméterű A memória chip cserén kívül más módosítási lehetőség nincs 16
Változó paraméterű Memória chip cserén kívül a program változtatására nincs lehetőség, de a program lefutását a vezérlőhöz külön csatlakoztatható beállító készülékkel befolyásolni (paraméterezni) lehet. Szabadon programozható vezérlő Programozó készülék vagy PC-n futó fejlesztő szoftver segítségével a felhasználói programokat bármikor módosítani vagy újra írni lehet. 1.4.2 Szabályozás A szabályozás olyan irányítási rendszer, amelyben az érzékelő az irányított (szabályozott) jellemző pillanatnyi állapotát érzékeli, és ezt a kívánt alapértékkel összehasonlítva állítja elő a rendelkező jelet vagy annak arányos részét. A rendelkező jel szolgál a szabályozó bemenőjeléül. A rendelkező jel az irányítási láncon keresztül haladva módosítja a szabályozott berendezés jellemzőit. Tekintettel arra, hogy a szabályozott jellemző az érzékelőn, a különbségképzőn (összehasonlító szerven) és az irányítási lánc többi elemén keresztül önmagára visszahat, zárt szabályozású rendszernek nevezzük. A szabályozó körben a jelfolyam önmagában zárt, ezért ezt zárt hatásláncú rendszernek is nevezzük. A szabályozás működési vázlata 11. ábra A szabályozási kör részei Szabályozott berendezés a szabályozástól egyébként függetlenül meglevő műszaki létesítmény, berendezés, gép stb., amely a szabályozás tárgyát képezi. A szabályozott 17
berendezés bemenő jele a módosított jellemző és a zavaró jellemzők, kimenő jele a szabályozott jellemző. Szabályozó berendezés azon szervek összessége, amelyek a szabályozott berendezéssel együtt a zárt szabályozási kört alkotják, és amelyek révén a szabályozás megvalósul. A szabályozó berendezés tartalmazza mindazon szerveket, amelyek az érzékelési hely és a beavatkozási hely között vannak, valamint a szabályozás működéséhez elengedhetetlenül szükséges egyéb szerveket. A szabályozó berendezés bemenő jele a szabályozott jellemző és a vezető jel kimenő jele a módosított jellemző. Érzékelő az olyan szerv, amely a szabályozott jellemzővel arányos vagy egyértelműen azzal összefüggő, összehasonlításra alkalmas, ellenőrző jelet szolgáltat. Az érzékelő bemenő jele a szabályozott jellemző, kimenő jele az ellenőrző jel. Alapjel-képző az olyan szerv, amely az alapértéket képviselő, különbségképzésre alkalmas alapjelet állítja elő. Bemenő jele a vezetőjel vagy beállító jel kimenő jele az alapjel. Különbségképző az olyan szerv, amelynek feladata az ítéletalkotás, tehát az alapjel és az ellenőrző jel különbségével arányos rendelkező jel előállítása. Bemenő jelei az alapjel és az ellenőrző jel, kimenő jele a rendelkező jel. Jelformáló (kompenzáló) az olyan szerv, amelynek az a feladata, hogy a rajta áthaladó jel időbeli változását előírt törvényszerűség szerint módosítsa. Erősítő az olyan szerv, amely bemenő jelének hatására segédenergia felhasználásával a bemenő jelnél nagyobb energiatartalmú (teljesítményerősítő esetében) vagy nagyobb jelszintű (jelerősítő esetében) kimenő jelet ad. Végrehajtó az olyan szerv, amelynek feladata a szabályozási körben létrejövő rendelkezés végrehajtása abban az esetben, ha a beavatkozó szerv bemenő jele elmozdulás vagy szögelfordulás. Bemenő jele a végrehajtó jel, kimenő jele a beavatkozó jel. Beavatkozó az olyan szerv, amely a szabályozó berendezésnek hatásirányban legutolsó szerve, és a szabályozott berendezést közvetlenül befolyásolja. Bemenő jele a beavatkozó jel, kimenő jele a módosított jellemző. 1.5 Vezérlés és szabályozás összehasonlítása Az összehasonlítást végezzük egy konkrét irányítási feladat elemzésén keresztül. A feladat egy több tantermes iskola fűtése, hőmérséklet tartása (szabályozása). Irányított szakasz a tanterem, irányított jellemző a terem hőmérséklete. Az irányított jellemzőt sok tényező befolyásolja, mint pl. az előremenő fűtővíz hőmérséklete, a radiátor felülete, a terem hő átbocsátó képessége, a terem hőkapacitása, a külső hőmérséklet, a napsugárzás, a szélhatás, az ablakfelület nagysága, a terem tájolása, a belső energiaforrások ( személyek száma, számítógépek hő leadása stb). Ezekből a hatásokból kell kiválasztani azt a jellemzőt, amely döntően befolyásolja az irányított szakaszt, valamint azt, amelyik műszaki és 18
gazdaságossági szempontból könnyen módosítható. Műszakilag figyelembe vehető jellemzők a víz hőmérséklete vagy megfelelő belső energiaforrás esetén hűvösebb évszakban a szellőztetés. A fűtővíz hőmérsékletének változtatásával két lehetőség kínálkozik. 1, Minden helységben ellenőrizzük a hőmérsékletet, és ettől függően helységenként elhelyezett beavatkozó szerven keresztül szabályozzuk a hőmérsékletet. 2, A fűtővíz hőmérsékletét a hőközpontban elhelyezett beavatkozó szervvel módosítjuk. Tekintettel arra, hogy a hőátadás a hőmérséklet különbséggel arányos a külső hőmérséklet csökkenésével arányosan kell növelni az előremenő víz hőmérsékletét. Amennyiben a külső hőmérsékleten kívül más zavaró hatás nem változik, az előre menő víz hőmérsékletének megfelelő függvény szerinti változtatásával a terem hőmérséklete állandó értéken tartható. 12. ábra Hőfokszabályozós helységhőmérséklet visszacsatolással 19
13. ábra Hőfoktartás előremenő víz hőmérsékletének szabályozásával Az első esetben a hőtartás közvetlen visszacsatolással valósul meg, ezért ez a folyamat az irányított jellemző szempontjából szabályozás. A helységben a hőmérséklet megváltozása (bármilyen okból) a háromjáratú szelep állítását eredményezi. Az előremenő víz hőmérséklete megváltozik, ami a helység hőmérsékletének visszaállítását eredményezi. Természetesen a változások sebessége függ a rendszer időállandójától, valamint a szabályozó jellegétől. A szabályozó addig növeli az előremenő víz hőmérsékletét, amíg az érzékelő a kívánt értéket el nem éri. A beállított víz azonban tovább melegíti a helységet, a hőmérséklet a kívánt érték fölé fog emelkedni. A szabályozó ekkor csökkenti az előremenő víz hőmérsékletét, azonban a helység a hőtehetetlensége folytán tovább melegszik. Bizonyos késleltetés után a helységben ismét csökkeni fog a hőmérséklet. A szabályozó addig csökkenti a fűtési víz hőmérsékletét, amíg a hőmérséklet le nem csökken a kívánt értékre. Látható, hogy a hőmérséklet csak bizonyos idő után - egyre kisebb amplitudójú lengéssel - fog a kívánt értékre állni. A rendszer dinamikai jellegétől és szabályozó beállítástól függően követi a beállított hőmérséklet értéket. Előfordulhat a szabályozó olyan beállítása, amikor a szabályozni kívánt helység hőmérséklete a beállított érték körül leng és soha nem áll be. A hőmérséklet lengése a bent tartózkodók komfort érzetére rendkívül rossz hatással van. A második esetben a helység, mint irányított szakasz szempontjából vezérlésnek minősül. Az érzékelő nem a helység hőmérsékletét, hanem a külső hőmérsékletet érzékeli. Az épületgépész az épület helységeinek a fűtőtest méretét egyenértékű hőterhelésre méretezi. A külső hőmérséklet értékhez normál időjárási viszonyok mellett előre meghatározható vízhőmérséklet esetében állandó belső hőmérséklet tartozik. Az állandó belső hőmérséklet tartásához a külső hőmérséklet és a vízhőmérséklet között lineáris függvény írja le a kapcsolatot. A függvénykapcsolatot egyéb zavaró hatások, mint például: szél, napsugárzás módosíthatják. A víz hőmérsékletét az irányítórendszer szabályozással állítja be. Tekintettel arra, hogy az előre menő csőbe helyezett hőmérsékletérzékelő, valamint a motoros szelep működése között kicsi az időállandó, a rendszer szabályzási körben kis energiát tárol, ezért a 20