dr božo ilićvtsns.edu.rs/wp-content/uploads/2018/11/elem-autom_skripta-za-kol-2019.pdf · 1 dr...
TRANSCRIPT
1
Dr Božo Ilić
ELEMENTI AUTOMATIZACIJE
Skripta za Kolokvijum
Visoka tehnička škola strukovnih studija
Novi Sad, 2019.
2
SADRŽAJ
1. Osnovni pojmovi o automatizaciji ..................................................................... 5
1.1 Pojam automatizacije ............................................................................................ 5
1.2 Sistemi automatske regulacije ............................................................................... 5
1.3 Sistemi automatskog upravljanja........................................................................... 9
1.4 Razlike između sistema automatskog upravljanja (SAU) i sistema automatske
regulacije (SAR) .................................................................................................. 12
1.5 Primeri sistema automatske regulacije i sistema automatskog upravljanja ........ 13
1.5.1 Sistem automatskog upravljanja koncentracijom tečnosti na izlazu iz
reaktora 13
1.5.2 Sistem automatske regulacije koncentracije tečnosti na izlazu iz reaktora . 14
1.5.3 Sistem automatske regulacije temperature grejne ploče pegle .................... 15
1.5.4 Ručno upravljanje temperaturom u prostoriji ............................................. 16
1.5.5 Sistem automatske regulacije temperature u prostoriji ............................... 17
1.5.6 Sistem automatske regulacije nivoa tečnosti u rezervoaru .......................... 17
1.5.7 Sistem automatske regulacije brzine obrtanja parne turbine i problem
njegove stabilnosti ............................................................................................................... 18
1.6 Istorijski razvoj sistema automatske regulacije ................................................... 19
1.7 Upravljanje procesima pomoću računara ............................................................ 21
1.7.1 Računarski sistemi za upravljanje procesima u realnom vremenu ............. 22
1.7.2 Načini povezivanja računara sa procesom .................................................. 23
1.7.3 Vrste upravljanje složenim procesima pomoću računara ............................ 25
1.7.4 Nadzor i upravljanje procesima pomoću SCADA sistema ......................... 27
1.7.5 Kompjuterom integrisana proizvodnja ........................................................ 29
1.7.5.1 Fleksibilna automatizacija FA ................................................................. 29
1.7.5.2 NC (Numerical Control) mašine ............................................................. 29
1.7.5.3 CNC mašine (Computer Numerical Control) ......................................... 30
1.7.5.4 AC (Adaptive Control) sistemi ............................................................... 30
1.7.5.5 DNC (Direct Numerical Control) sistemi ............................................... 30
1.7.5.6 CAD (Computer Aided Design) sistemi ................................................. 31
1.7.5.7 CAM sistemi (Computer Aided Manufacturing) .................................... 31
1.7.5.8 CAQ (Computer Aided Quality) sistemi................................................. 31
1.7.5.9 Fleksibilni tehnološki sistemi FTS .......................................................... 32
1.7.5.10 PLC (Programmable Logic Control) sistemi ........................................ 32
1.7.6 Osnovni postupci (koraci) koje treba realizovati tokom projektovanja i
izrade sistema za vođenje procesa ....................................................................................... 32
2. Podela sistema automatske regulacije ............................................................. 35
2.1 Podela sistema automatske regulacije s obzirom na linearnost jednačina koje
opisuju njihov dinamički režim rada ................................................................... 35
2.2 Podela sistema automatske regulacije s obzirom na kontinualnost i način prenosa
promenjivih veličina (informacija) između elemenata ........................................ 35
3. Karakteristike elemenata sistema automatske regulacije ............................. 37
3
3.1.1 Statičke karaktertistike elemenata SAR ...................................................... 37
3.2 Dinamičke karakteristike elemenata SAR ........................................................... 40
3.3 Opisivanje dinamičkih karakteristika elemenata u vremenskom području ......... 40
3.4 Opisivanje dinamičkih karakteristika senzora u frekvencijskom području ......... 42
3.5 Opisivanje ponašanja elemenata sistema automatske regulacije ........................ 42
4. Senzori ................................................................................................................ 44
4.1 Osnovni pojmovi o senzorima ............................................................................. 44
4.1.1 Podela senzora prema vrsti izlaznog signala ............................................... 45
4.1.2 Podela električnih senzora prema tome da li je za njihov rad potreban
spoljni izvor energije ........................................................................................................... 45
4.1.3 Podela senzora prema principu rada ............................................................ 45
4.1.4 Podela senzora prema tome koju fizičku veličinu mere .............................. 46
4.2 Karakteristike senzora ......................................................................................... 46
4.3 Senzori temperature ............................................................................................. 48
4.3.1 Živini termometri ........................................................................................ 49
4.3.2 Bimetalni senzori temperature .................................................................... 49
4.3.3 Termoparovi ................................................................................................ 50
4.3.4 Otpornički senzori temperature od metala .................................................. 51
4.3.5 Otpornički senzori temperature od poluprovodnika (termistori) ................ 53
4.3.6 Optički pirometri ......................................................................................... 54
4.3.7 Termografske kamere .................................................................................. 54
4.4 Senzori brzine i ubrzanja ..................................................................................... 55
4.4.1 Radari sa Doplerovim efektom ................................................................... 55
4.4.2 Jednosmerni tahogenerator za merenje brzine obrtanja .............................. 56
4.5 Senzori pritiska .................................................................................................... 58
4.6 Senzori protoka.................................................................................................... 59
4.6.1 Senzori za merenje zapreminskog protoka .................................................. 60
4.6.1.1 Turbinski protokmetar ............................................................................. 60
4.6.1.2 Indukcioni (elektromagnetni) senzori protoka ........................................ 61
5. Detektori signala greške .................................................................................... 63
6. Regulatori ........................................................................................................... 65
6.1 Osnovni pojmovi i podele ................................................................................... 65
6.1.1 Sklop za dinamičku obradu signala greške ................................................. 66
6.1.1.1 Proporcionalni P regulator ...................................................................... 67
6.1.1.2 Pneumatski P - regulator ......................................................................... 68
6.1.1.3 Integralni I regulator ............................................................................... 70
6.1.1.4 Diferencijalni D regulator ....................................................................... 71
6.1.1.5 Proporcionalno-integralni PI regulator ................................................... 72
6.1.1.6 Proporcionalno-integralno-diferencijalni PID regulator ......................... 74
6.1.1.7 Ilustracija rada PID regulatora na primeru klackalice ............................. 76
6.2 Sklop za pojačavanje signala greške ................................................................... 79
4
7. Aktuatori (Izvršni organi) ................................................................................ 80
7.1 Električni aktuatori .............................................................................................. 82
7.1.1 Motori jednosmerne struje (DC motori)...................................................... 82
7.1.2 Motori naizmenične struje (AC motori) ...................................................... 83
7.1.2.1 Sinhroni motori ....................................................................................... 84
7.1.2.2 Asinhroni motori ..................................................................................... 84
7.1.3 Univerzalni motori ...................................................................................... 85
7.1.4 Koračni (step) motori .................................................................................. 85
7.1.5 Linearni električni motori ............................................................................ 87
7.2 Mehanički aktuatori ............................................................................................. 88
7.3 Pneumatski aktuatori ........................................................................................... 90
7.3.1 Pneumatski cilindri ...................................................................................... 92
7.3.2 Pneumatski motori ....................................................................................... 94
7.3.3 Pneumatski ventili ....................................................................................... 95
7.4 Hidraulički aktuatori............................................................................................ 97
7.4.1 Hidraulični cilindri ...................................................................................... 99
7.4.2 Hidraulični motori ..................................................................................... 101
7.4.3 Hidraulični ventili ..................................................................................... 102
8. Industrijski roboti IR (Industrial Robot) ...................................................... 105
8.1.1.1.1 Off-line programiranje (OLP) ........................................................ 108
8.1.1.1.2 Post procesor (PP) .......................................................................... 108
8.1.1.1.3 Projekat COMET ........................................................................... 109
9. Sistemi automatske regulacije i upravljanja radom grejanja ..................... 111
9.1 Centralna regulacija temperature....................................................................... 114
9.1.1 Centralna regulacija temperature vode u kotlu regulacijom sagorevanja
goriva u kotlu 114
9.1.2 Regulacija temperature u razvodu grejnog kruga prema spoljašnjoj
temperaturi 115
9.1.3 Regulacija temperature u razvodu grejnog kruga za radijatorsko i panelno
grejanje 116
9.1.4 Regulacija temerature sanitarne tople vode u rezervoaru ......................... 116
9.2 Zonska regulacija temeratere............................................................................. 117
9.2.1 Jednozonska regulacija temperature .......................................................... 117
9.2.2 Višezonska regulacija temperature ............................................................ 117
9.3 Lokalna regulacija temperature (regulacija temperature po prostorijama) ....... 119
10. Literatura ......................................................................................................... 122
11. Primer kolokvijuma ........................................................................................ 123
5
1. OSNOVNI POJMOVI O AUTOMATIZACIJI
1.1 Pojam automatizacije
Reč „automat“ je grčkog porekla i označava uređaj koji omogućava da se neki proces
upravljanja obavi sam od sebe bez neposrednog učešća čoveka.
Pod pojmom automatizacija podrazumeva se uvođenje mašina i uređaja u neki proces
upravljanja, koji zamenjuju umni ljudski rad i pokrete, tako da se čitav proces upravljanja
odvija sam od sebe bez neposrednog učešća čoveka. Čovek samo nadgleda proces upravljanja.
Čovek nije potpuno isključen iz procesa upravljanja, ali je njegova uloga svedena na najmanju
moguću meru, tj. samo na pokretanje, nadgledanje i zaustavljanje procesa. Automatizacijom se
čovek oslobađa od prevelike umešanosti u taj proces. Automatizacija u širem smislu obuhvata
sve mere i postupкe kojima se smanjuje udeo ljudskog rada, opažanja i odlučivanja.
Da bi se mogla izvršiti automatizacija nekog procesa potrebno je prethodno izvršiti
mehanizaciju tog procesa. Automatizacija predstavlja nastavak procesa mehanizacije, tako da se
automatizacija nekog procesa može izvršiti samo ako je taj proces dovoljno mehanizovan. Pod
pojmom mehanizacija podrazumeva se uvođenje mašina i uređaja u neki proces koji
omogućavaju da se čovek oslobodi fizičkog rada.
Pojam automatizacija je usko povezan sa pojmovima sistemi automatske regulacije,
sistemi automatskog upravljanja i vođenje procesa.
Pod pojmom vođenje procesa podrazumevaju se sistemi automatske regulacije i sistemi
automatskog upravljanja složenim procesima pomoću računara.
Kibernetika (grč. hiberneti – voditi, upravljati, usmeravati) je nauka o opštim
zakonitostima upravljanja, regulacije i vođenja tehničkim sistemima.
1.2 Sistemi automatske regulacije
1. Strukturna blok-šema sistema automatske regulacije
Svaki sistem automatske regulacije se sastoji od više međusobno povezanih elemenata i
može se predstaviti pomoću strukturne blok-šeme u kojoj su elementi predstavljeni
pravougaonicima, kao što je prikazano na slici 1.1. Svaki element u sistemu automatske
regulacije ima svoju ulaznu i izlaznu veličinu, koje po svojoj prirodi mogu biti različite (npr.
kod motora jednosmerne struje sa nezavisnom pobudom ulazna veličina je električne prirode
(npr. napon napajanja motora), a izlazna veličina je mehaničke prirode (npr. brzina obrtanja
motora)). Na slici 1.1. su naznačene ulazne i izlazne veličine pojedinih elemenata, kao i njihovi
smerovi delovanja.
6
Slika 1.1. Strukturna blok-šema sistema automatske regulacije
2. Elementi (delovi) sistema automatske regulacije
Elementi (delovi) sistema automatske regulacije su:
- Pretvarač zadate (željene, referentne) vrednosti regulisane veličine, je element
koji pretvara zadatu vrednost regulisane veličine x(t) u signal x1(t) koji se dovodi na
ulaz detektora signala greške.
- Senzor (merni pretvarač), je element povratne sprege, koji regulisanu veličinu y(t)
pretvara u signal y1(t) koji je proporcionalan stvarnoj vrednosti regulisane veličine,
koji se takođe dovodi na ulaz detektora signala greške. Najčešće korišćeni senzori
su: tahogeneratori, temperaturne sonde, barometri i sl. Kvalitet sistema automatske
regulacije principijelno zavisi od karakteristika senzora u povratnoj grani. To znači
da tačnost i rezolucija upravljanja procesne veličine nikad ne mogu biti veći od
tačnosti i rezolucije upotrebljenog senzora. Merni šum n(t), predstavlja grešku u
merenju, koja je praktično uvek prisutna u većoj ili manjoj meri. Razlikuje se više
vrsta mernog šuma.
- Detektor signala greške (komparator, diskriminator), je element koji poredi
signal sa izlaza pretvarača zadate vrednosti regulisane veličine x1(t) i signal sa izlaza
senzora y1(t) i kao rezultat tog poređenja na svom izlazu daje signal greške:
e(t)=x1(t)-y1(t). Pri tome detektori signala greške mogu da upoređuju samo signale
istih fizičkih veličina.
- Regulator (regulacioni uređaj), je najsloženiji element sistema automatske
regulacije, koji pojačava i oblikuje signal greške: e(t)=x1(t)-y1(t) tako da se dobije
željeno statičko i dinamičko ponašanje sistema automatske regulacije. Regulator na
Aktuator Regulator
Senzor
Smer toka energije
Objekat
regulacije
Smer toka signala u regulacionom kolu
Petvarač
zadate
vrednosti
regulisane
veličine
z(t)
y(t) u1(t) u(t) x1(t)
n(t)
y1(t)
+
-
e(t)=x1(t)-y1(t)
y(t)
x(t)
Izvor energije
(električne, mehaničke,
pneumatske, hidraulične itd.)
Detektor signala greške Spoljni poremećaj
Povratna sprega
7
svom izlazu generiše regulacioni signal u(t) pomoću koga preko aktuatora deluje na
objekat regulacije tako da signal greške svede na nulu ili zanemarivo malu vrednost:
e(t) = x1(t) - y1(t) → 0 (odnosno tako da koriguje odstupanje stvarne od zadate
vrednosti regulisane veličine). Osnovni zadatak regulatora jeste da održava željeno
stanje objekta regulacije, koje može biti nepromenjivo u vremenu i promenjivo u
zavisnosti od toga da li se menja zadata vrednost regulisane veličine x(t). U prvom
slučaju regulator održava proces, a u drugom vodi proces.
- Aktuator (izvršni organ), je element koji na osnovu regulacionog signala u(t) koga
generiše regulator daje postavnu veličinu u1(t) koja direktno deluje (utiče) na objekat
regulacije tako da signal greške svede na nulu. Izvršni organ se sastoji od pogonskog
uređaja i izvršnog uređaja. Npr. pogonski uređaj je neki elektromotor koji pokreće
neki ventil kao izvršni uređaj. U američkoj literaturi izvršni organ se najčešće naziva
aktuator (actuator).
- Objekat (predmet) regulacije, je mašina ili proces čija se izlazna veličina y(t)
reguliše (npr. objekat regulacije je motor jednosmerne struje sa nezavisnom
pobudom čija se brzina obrtanja želi regulisati). Jedan objekat regulacije može imati
više veličina koje se regulišu. Na primer, ako je elektromotor objekat regulacije,
regulacija položaja osovine elektromotora, ili regulacija njene brzine obrtanja su dve
različite veličine koje se mogu regulisati.
3. Veličine u sistemu automatske regulacije
Veličine u sistemu automatske regulacije su:
- Zadata (željena, referentna) vrednost regulisane veličine x(t), je ulazna veličina
koja ima zadatak da definiše kako treba da izgleda izlazna veličina y(t) objekta
regulacije. Predstavlja željeno (ili idealno) ponašanje regulisane veličine procesa.
Zadata vrednost regulisane veličine x(t) može biti konstantna ili promenjiva, a
promena se može zadati ručno (najčešće potenciometrom), pomoću programatora ili
nekim zahtevom tehnološkog procesa. Naziva se još i nazivna veličina kod čvrste
regulacije, odnosno vodeća veličina kod sledne regulacije.
- Trenutna vrednost regulisane veličine y(t), je ustvari trenutna vrednost izlazne
veličine objekta regulacije koja se želi regulisati (npr. brzina obrtanja elektromotora)
i ona zavisi od zadate vrednosti regulisane veličine x(t).
- Signal greške (regulaciona greška, regulaciono odstupanje) e(t), predstavlja
razliku između signala zadate vrednosti regulisane veličine x1(t) i signala sa izlaza
senzora y1(t): e(t) = x1(t) – y1(t) koja ulazi u regulator i podstiče njegovo delovanje.
- Regulacioni signal u(t), predstavlja signal koga na osnovu veličine i znaka signala
greške generiše regulator, pomoću koga preko aktuatora deluje na objekat regulacije
tako da koriguje odstupanje regulisane veličine y(t) od zadate vrednosti x(t).
- Postavna veličina u1(t), predstavlja izlaznu veličinu aktuatora i ulaznu veličinu
objekta regulacije. Ona direktno deluje na objekat regulacije tako da koriguje
odstupanje regulisane veličine od zadate vrednosti (npr. regulaciona veličina je
napon napajanja motora jednosmerne struje).
- Spoljni poremećaj (poremećajna veličina, smetnja) z(t), predstavlja svaki
neželjeni uticaj na objekat regulacije koji dovode do odstupanja regulisane veličine
y(t) od zadate vrednosti x(t). Znači, pored regulacione veličine u1(t) na objekat
regulacije deluju i spoljni poremećaji, kao što su npr.: temperatura, neželjena
promena mrežnog napona napajanja, iznenadni kratki spojevi i sl. Spoljni
8
poremećaji mogu delovati iz okoline na više načina, te mogu ulaziti u sistem na
mnogo različitih mesta. Na primer spoljni poremećaj može dolaziti sa strane
opterećenja a takođe i sa strane postavne veličine.
4. Pojam sistema automatske regulacije
Pod pojmom sistem automatske regulacije podrazumeva se sistem sa negativnom
povratnom spregom, koji omogućava da se regulisana veličina y(t) automatski održava na
zadatoj (željenoj) vrednosti x(t) (ili da automatski prati promene zadate vrednosti regulisane
veličine x(t) prema unapred utvrđenom zakonu), čak i ako postoje neočekivani uticaji spoljnih
poremećaja na objekat upravljanja.
Sistemi automatske regulacija ne postoje samo u tehničkim sistemima nego i u
netehničkim dinamičkim sistemima, kao što su: biološki, ekonomski, sociološki, politički itd.
Regulacija postoji i u živim bićima na osnovu koje se održavaju u životu (npr. regulacija
temperature u ljudskom telu).
5. Princip rada sistema automatske regulacije
Princip rada sistema automatske regulacije se zasniva na poređenju stvarne sa zadatom
vrednošću regulisane veličine i svođenju te razlike na nulu ili zanemarivo malu vrednost.
Senzor pretvara trenutnu vrednost regulisane veličine y(t) u signal y1(t) koji se dovodi na
ulaz detektora signala greške, gde se poredi sa signalom zadate vrednosti regulisane veličine
x1(t). Kao rezultat tog poređenja na izlazu detektora signala greške se dobija signal greške:
e(t)=x1(t)-y1(t). Na osnovu veličine i znaka signala greške regulator generiše regulacioni signal
u(t), pomoću koga preko aktuatora deluje na objekat regulacije tako da signal greške svede na
nulu ili zanemarivo malu vrednost (odnosno da koriguje odstupanje stvarne od zadate vrednosti
regulisane veličine). Pošto je regulacioni sigal u(t) koga na svom izlazu generiše regulator male
snage, potreban je aktuator. Zahvaljujući velikom energetskom pojačanju aktuator na svom
izlazu daje postavnu veličinu u1(t) za neposrednu promenu toka energije ili materijala na
objektu regulacije kako bi se signal greške sveo na nulu ili zanemarivo malu vrednost: e(t)→0.
Pod pojmom regulacija EMP-a podrazumeva se dejstvo na pretvarač električne energije
preko regulatora U regulisanim pogonima se parametri električne energije (visina napona,
jačina struje, frekvencija i/ili broj faza) podešavaju (prilagođavaju) potrebama elektromotora,
radi regulacije karakterističnih veličina motora (brzine, ubrzanja, momenta, položaja i/ili
trzaja). Regulacija elektromotornog pogona se izvodi tamo gde se zahteva promenjiva brzina u
širem opsegu i stabilan rad pri referentnoj brzini u prisustvu poremećaja (promena opterećenja
ili promena napajanja). Izlazne veličine (veličine koje se mogu regulisati) su ugao rotora,
ugaona brzina rotora, ubrzanje, električni moment motora, struja itd). Na motor jednosmerne
struje kao objekat regulacije, deluju napon rotora, pobudni napon i struja rotora kao ulazne
veličine. Tako se delovanjem na napon napajanja ili napon pobude može menjati brzina
obrtanja motora jednosmerne struje u EMP-u. Regulisane veličine asinhronog motora su napon
statora i statorska učestanost. U oba slučaja poremećajna veličina je moment opterećenja.
6. Čvrsta i sledna regulacija
S obzirom na to da li se zadata vrednost regulisane veličine x(t) menja tokom vremena,
regulacija može biti:
- čvrsta i
- sledna (prateća).
Kod čvrste regulacije zadata vrednost regulisane veličine se ne menja tokom vremena,
odnosno retko se menja (naziva se još i nazivna veličina). Osnovni zadatak čvrste regulacije
9
jeste da se vrednost regulisane veličine y(t) održava na zadatoj (podešenoj) vrednosti x(t), čak i
ako postoje neočekivani poremećaji, ostvaruje se kompenzacija uticaja poremećaja koji deluju
na proces.
Kod sledne (prateće) regulacije se zadata vrednost regulisane veličine kontinualno
menja tokom vremena (naziva se još i vodeća veličina). Osnovni zadatak sledne regulacije jeste
da stvarna vrednost regulisane veličine y(t) brzo prati promene zadate vrednosti regulisane
veličine x(t), čak i ako postoje neočekivani poremećaji. Servomehanizmi su na neki način
sinonimi za slednu regulaciju. Zadatak servomehanizama je praćenje neke mehaničke veličine,
poput položaja, brzine ili ubrzanja, sa što većom tačnošću.
U oba slučaja se mora trajno (neprekidno) meriti vrednost regulisane veličine y(t) i njen
signal y1(t) upoređivati sa signalom zadate vrednosti regulisane veličine x1(t), slika 1.2., kako bi
regulator preko aktuatora delovao na objekat regulacije tako da signal greške svede na nulu ili
na zanemarivo malu vrednost: e(t)=x1(t)-y1(t) → 0.
Slika 1.2. Detektor signala greške
6. Osnovni zadaci sistema automatske regulacije
U pogledu tehničke upotrebe osnovni zadatak koji mora da zadovolji SAR
jeste da se regulator mora projektovati i izabrati tako da osigura stabilnost sistema. Osim
toga, mora da ispuni i dodatne zahteve, koji definišu kvalitet regulacije, pa se nazivaju
kriterijumi kvaliteta (dobrote), a to su:
- vreme potrebno za kompenzaciju uticaja smetnje mora da bude minimalno,
- regulaciono odstupanje prouzrokovano smetnjom mora da bude minimalno i
- praćenje vodeće veličine mora da bude odgovarajuće.
Ako SAR ispunjava sve ove kriterijume onda je on optimalan u smislu primenjenih
kriterijuma.
Osnovni zadatak projektovanja jednog sistema automatske regulacije jeste da se
zadovolje specifikacije radnih svojstava takvog sistema. Specifikacije radnih svojstava u pravilu
su date ograničenjima odziva sistema. Specifikacije se mogu dati na mnogo načina. Kako se
odzivi sistema prikazuju u dva područja (ili dva domena), vremenskom i frekvencijskom, tako
su i specifikacije uopšteno date u dva oblika – vremenskom i frekvencijskom, te najčešće
određuju četiri važna svojstva nekog dinamičkog sistema: stabilnost, brzinu odziva, dozvoljena
regulaciona greška (odnosno tačnost regulacije), te robusnost. U vremenskom području
specifikacije su najčešće date vremenima uspona, smirivanja, vremenskom konstantom, te
maksimalnim prebačajem. U frekvencijskom području specifikacije sistema su date amlitudnom
i faznom rezervom, pojasnom širinom, te rezonantnom frekvencijom i rezonantnim uzdizanjem.
1.3 Sistemi automatskog upravljanja
Kod sistema automatskog upravljanja objekat regulacije se naziva objekat upravljanja, a
regulator se naziva upravljački uređaj. Sistem automatskog upravljanja se sastoji od:
10
- pretvarača zadate vrednosti upravljane veličine,
- upravljačkog uređaja,
- aktuatora i
- objekta upravljanja.
Svaki sistem automatskog upravljanja se može predstaviti pomoću strukturne blok šeme
prikazane na slici 1.3.
Slika 1.3. Strukturna blok šema sistema automatskog upravljanja
Na ulaz pretvarača zadate vrednosti upravljane veličine dovodi se zadata vrednost
upravljane veličine x(t), a na izlazu se dobija signal zadate vrednosti upravljane veličine x1(t) na
osnovu koga upravljački uređaj generiše signal upravljanja u(t) koji deluje na aktuator, a on
preko postavne veličine u1(t) deluje na objekat upravljanja. Izlazna veličina objekta upravljanja
se naziva upravljana veličina y(t).
Pod pojmom sistem automatskog upravljanja podrazumeva se sistem bez povratne
sprege koji omogućava da se upravljana veličina y(t) automatski održava na zadatoj (željenoj)
vrednosti x(t) (ili da automatski prati promene zadate vrednosti upravljane veličine x(t) prema
unapred utvrđenom zakonu), samo ako postoje očekivani uticaji spoljnih poremećaja na objekat
regulacije.
Sistemi automatskog upravljanja mogu biti sastavljeni od jedne ili više kontura, pa se
dele na:
- jednokonturne sisteme automatskog upravljanja, slika 1.4., koji upravljaju jednom
fizičkom veličinom na osnovu njene unapred zadate vrednosti.
- složene sisteme automatskog upravljanja, slika 1.5., koji upravljaju sa više fizičkih
veličina na osnovu njihovih unapred zadatih vrednosti.
Slika 1.4. Jednokonturni sistem automatskog upravljanja
Slika 1.5. Složeni sistem automatskog upravljanja
Upravljački
uređaj Objekat
upravljanja
z(t)
y(t) u(t)
x1 (t) Petvarač
zadate
vrednosti
upravljane
veličine
x (t) Aktuator u1(t
)
SAU
SAU
11
Sistem automatskog upravljanja može da funkcioniše samo prema unapred utvrđenom
programu. Međutim, u pojedinim slučajevima neophodno je izvršiti kompenzaciju poremećaja,
koji može da promeni upravljačku veličinu. Kompenzacija može da se izvrši samo na onim
poremećajima koji su unapred predvidljivi i koji su obuhvaćeni programom. Na slici 1.6. je
prikazana struktura sistema automatskog upravljanja sa kompenzacijom poremećaja.
Slika 1.6. Sistem automatskog upravljanja sa kompenzacijom poremećaja
7. Postupci sistema automatske regulacije
Postoji više različitih postupaka sistema automatske regulacije, kao što su:
1. regulacija kompenzacijom poremećaja,
2. regulacija po otklonu,
3. kombinovana regulacija i
4. složeni postupci regulacije.
1. Regulacija kompenzacijom poremećaja. - Ovaj postupak se sastoji u tome da se
informacija o poremećaju prenese upravljačkom uređaju, koji preko svojih izvršnog organa
deluje na objekat regulacije u cilju kompenzacije delovanja poremećaja. Kompenzacija može da
bude potpuna ili delimična. Kod potpune kompenzacije ostvarena je kompenzacija svih
poremećaja, a kod delimične kompenzacije jednog ili samo nekih poremećaja. Prednost ove
regulacije je velika brzina delovanja, a loša osobina nedovoljna tačnost. Regulacija
kompenzacijom poremećaja se sastoji od objekta upravljanja, jedinice za vođenje i izvršnog
organa. U ovom slučaju ne postoji informacija o stvarnom stanju regulisane veličine, pa može
doći do većih odstupanja.
2. Regulacija po otklonu. - Postupak regulacije po otklonu sastoji se u prenosu
informacija o stanju regulisane veličine upravljačkom sistemu, koji preko izvršnih organa
deluje na objekat regulacije u cilju povratka regulisane veličine na zadatu vrednost. Za ovaj
postupak regulacije neophodna je povratna sprega. Prednost regulacije po otklonu jeste tačnost,
a nedostatak inertnost reagovanja.
3. Kombinovana regulacija. - Ovaj postupak regulacije objedinjava prethodna dva, pa i
njihove dobre osobine. Sastoji se u tome da se upravljačkom sistemu prenesu informacije i o
stanju poremećaja i o stanju regulisane veličine. Upravljački sistem preko izvršnih organa
deluje na objekat regulacije i u smislu kompenzacije poremećaja i u smislu povratka regulisane
veličine na zadatu vrednost.
4. Složeni postupci regulacije. - Veliki broj procesa su veoma složeni, pa se mogu
prikazati kao više procesa međusobno spojenih u jednu funkcionalnu celinu. Zbog toga takve
procese moramo regulisati sa više povezanih i zavisnih delova i regulacionih krugova. Postoji
više različitih postupaka regulacije takvih procesa, kao npr.:
- predregulacija i
Upravljački
uređaj Izvršni
organ
Objekat
upravljanja
Pretvarač
zadate
vrednosti
upravljane
veličine
Upravljana
veličina
12
- kaskadna regulacija.
Kod predregulacije se prvo reguliše poremećajna veličina, koja se menja u širokim
granicama, pa tek onda i izlazna veličina procesa, slika 1.7.
Slika 1.7. Predregulacija
Kaskadna regulacija se primenjuje u slučajevima kada je teško postići dovoljno
kvalitetnu regulaciju samo jednim regulacionim krugom, slika 1.8. Proces se tada deli po
delovima kojima se lakše mogu odrediti karakteristične veličine i prema njima voditi tok
procesa. Glavna regulisana veličina se reguliše glavnim ili vodećim regulatorom, a pomoćne
veličine pomoćnim ili podređenim regulatorima.
Slika 1.8. Kaskadna regulacija
1.4 Razlike između sistema automatskog upravljanja (SAU) i
sistema automatske regulacije (SAR)
Razlike između sistema automatskog upravljanja (SAU) i sistema automatske regulacije
(SAR) su:
- Sistem automatske regulacije omogućava da se regulisana veličina y(t) automatski
održava na zadatoj (željenoj) vrednosti x(t) (ili da automatski prati promene zadate
vrednosti regulisane veličine x(t) prema unapred utvrđenom zakonu), čak i ako
postoje neočekivani uticaji spoljnih poremećaja na objekat regulacije. Ovo je zbog
toga što sistem automatske regulacije sadrži negativnu povratnu spregu, koja
omogućava poređenje trenutne i zadate (željene) vrednosti regulisane veličine i
svođenje njihove razlike na nulu ili na zanemarivo malu vrednost. Kod sistema
automatske regulacije postoji povratno dejstvo izlazne veličine objekta regulacije na
ulaznu veličinu objekta regulacije, jer se pomoću povratne sprege na ulaz sistema
dovodi informacija o izlaznoj veličini. Prenos signala se odvija u zatvorenom kolu.
- Sistem automatskog upravljanja omogućava da se upravljana veličina y(t)
automatski održava na zadatoj (željenoj) vrednosti x(t) (ili da automatski prati
Objekat
upravljnja
13
promene zadate vrednosti upravljane veličine x(t) prema unapred utvrđenom
zakonu), samo ako postoje očekivani uticaji spoljnih poremećaja na objekat
upravljanja. Ovo je zbog toga što sistem automatskog upravljanja (za razliku od
sistema automatske regulacije) ne sadrži povratnu spregu koja omogućava poređenje
trenutne y(t) i zadate vrednosti upravljane veličine x(t) i svođenje njihove razlike na
nulu ili na zanemarivo malu vrednost. Kod sistema automatskog upravljanja ne
postoji povratno dejstvo izlazne veličine objekta upravljanja na ulaznu veličinu
objekta upravljanja. Prenos signala se odvija u otvorenom kolu, u jednom smeru i to
od ulaza prema izlazu.
- Ako je sistem automatskog upravljanja sastavljen od elemenata koji su stabilni
(upravljačkog uređaja i objekta upravljanja), onda će i celi sistem automatskog
upravljanja biti stabilan. Kod sistema automatske regulacije, to ne mora biti tako.
Osnovni nedostatak sistema automatske regulacije jeste što zbog delovanja
povratne sprege može postati nestabilan, tj. mogu nastupiti oscilacije regulisane
veličine teoretski do beskonačnih vrednosti što predstavlja neprihvatljivo ponašanje.
Nestabilan sistem može imati neograničene odzive, koji se mogu manifestovati na
primer trajnim oscilacijama i slično. Stabilan sistem automatske regulacije za
ograničenu vrednost ulaznog signala daje ograničenu vrednost izlaznog signala. Zato
je osnovni problem koji treba rešiti prilikom primene sistema automatske regulacije
da se obezbedi njegova stabilnost.
- Sistem automatske regulacije je po pravilu skuplji i složeniji od sistema
automatskog upravljanja, ali je i kvalitetniji. Bolji kvalitet koji se dobija primenom
sistemom automatske regulacije treba da opravda njegovu veću cenu i složenost.
Povratna sprega može biti pozitivna i negativna. Pozitivnom povratnom spregom se
povećava, a negativnom smanjuje uticaj ulazne veličine na izlaznu veličinu. Prirodno je zato da
povratna sprega ima negativnu vrednost. Pozitivna povratna sprega u suprotnom slučaju dovela
bi do nestabilnosti i poništila sve efekte i razloge primene regulacije. Ipak, u posebnim
slučajevima se koristi pozitivna povratna sprega, npr. pojačalo s pozitivnom povratnom
spregom. Vraćajući audio-signal pozitivnom povratnom spregom, signal se pojačava na uskom
pojasu frekvencija (dolazi do rezonancije), što je pogodno za primenu u radio tehnici.
1.5 Primeri sistema automatske regulacije i sistema automatskog
upravljanja
1.5.1 Sistem automatskog upravljanja koncentracijom tečnosti na izlazu iz
reaktora
U protočni reaktor prikazan na slici 1.9., utiče čista voda mase m1 (kg/s) i supstanca
mase m2 (kg/s) i koncentracije CA (mol/kg). Mešanje u reaktoru je idealno. Zbog zahteva
tehnološkog procesa stvarna koncentracija tečnosti na izlazu reaktora Ci treba da bude jednaka
zadatoj vrednosti koncentracije tečnosti Cž. Kako je i pod kojim uslovima to moguće ostvariti?
Pretpostavlja se da je:
z1(t)=m1=const. i z2(t)=CA=const.
U regulator je upisan odgovarajući algebarski algoritam za doziranje supstance mase m2
koja omogućava da stvarna koncentracija tečnosti na izlazu reaktora Ci bude jednaka zadatoj Cž.
14
Slika 1.9. Sistem automatskog upravljanja koncentracijom tečnosti na izlazu reaktora Ci
PZVRV - pretvarač zadate vrednosti upravljane veličine
UPR. U. - upravljački uređaj
AKT. - aktuator je ventil
OB. UPR. - objekat upravljanja je reaktor
x(t)=Cž - zadata vrednost upravljane veličine
u1(t)= m2 - upravljačka veličina
y(t)=Ci - stvarna vrednost upravljane veličine
z1(t)= m1 – prva poremećajna veličina
z2(t)=CA – druga poremećajna veličina
Slika 1.10. Strukturna blok šema sistema automatskog upravljanja koncentracijom
tečnosti na izlazu iz reaktora Ci
Prednosti ovakvog sistema automatskog upravljanja su što je jednostavan i jeftin, jer se
može realizovati uz mali utrošak merno-regulacione opreme.
1.5.2 Sistem automatske regulacije koncentracije tečnosti na izlazu iz
reaktora
Sistem automatskog upravljanjem teško može ispuniti postavljeni zahtev da stvarna
koncentracija tečnosti na izlazu reaktora bude jednaka zadatoj Ci=Cž, pošto se javljaju
neočekivani poremećaji, tj. teško je ispuniti pretpostavke da je: z1(t)=m1=const. i
PZVRV
UPR. U
OBJ. UPR.
x1(t)=Csž
z1(t)=m1 z2(t)=CA
y(t)=Ci
u1(t)=m2
PZVRV UPR. U.
x1(t)=Csž
AKT.
u1(t)=m2
OB. UPR.
y(t)=Ci
OB. UPR.
y(t)=Ci x(t)=Cž
AKT.
x(t)=Cž
x(t)=Cž u(t)
u(t)
15
z2(t)=CA=const. Postavljeni zahtev se može rešiti primenom sistema automatske regulacije, tj.
uvođenjem povratne sprege za regulisanu veličinu (koncentraciju tečnosti na izlazu iz reaktora
Ci), slika 1.11. Na ovaj način se može obezbediti otklanjanje i neočekivanih poremećaja, pošto
regulator na osnovu odstupanja stvarne od zadate vednosti regulisane veličine deluje i dozira
potrebnu masu supstance m2. Sada se regulaciona veličina (masa supstance m2) menja samo na
osnovu veličine i znaka signala greške e(t).
Slika 1.11. SAR koncentracije tečnosti na izlazu iz reaktora Ci
Slika 1.12. Strukturna blok šema SAR koncentracije tečnosti na izlazu iz reaktora Ci
1.5.3 Sistem automatske regulacije temperature grejne ploče pegle
Temperatura grejne ploče pegle se reguliše u zatvorenom regulacionom kolu, slika 1.13.
Regulacioni postupak je nelinearan i ostvaruje se po principu tzv. dvopoložajnog regulatora, a
regulaciona veličina zavisi samo od veličine i znaka signala greške e.
Osnovne veličine u sistemu automatske regulacije temperature grejne ploče pegle su:
- stvarna vrednost regulisane veličine y(t)=θs, je temperatura grejne ploče pegle;
OB. REG.
PZVRV
REG.
e(t)
z1(t)=m1 u1(t)=m2 z2(t)=CA
y(t)=Ci
SEN.
y1(t)=Csi
x1 (t)=Csž
x (t)=Cž
DSG
PZVRV REG.
x1(t)=Csž
AKT.
u1(t)=m2
OB. REG.
y(t)=Ci x(t)=Cž
e(t)=x1(t)-y1(t)
SEN.
u(t)
z1(t)=m1 z2(t)=CA
u(t)
y1(t)=Csi
-
16
- zadata vrednost regulisane veličine x(t), je temperatura koja se zadaje na
upravljačkom dugmetu;
- signal greške e(t), predstavlja razliku između signala zadate i signala stvarne
vrednosti regulisane veličine;
- regulaciona veličina u(t), je električna struja I koja protiče kroz grejač;
- poremećajne veličine z(t), su sve veličine koje utiču na hlađenje grejne ploče pegle,
kao što su: temperatura okoline, temperatura rublja, vlažnost rublja, način rada sa
peglom itd.;
- objekat regulacije je grejač;
- ulogu senzora, detektora signala greške, regulatora i aktuatora ima bimetal.
Slika 1.13. Sistem automatske regulacije temperature grejne ploče pegle
Slika 1.14. Strukturna blok šema sistema automatske regulacije temperature grejne
ploče pegle
1.5.4 Ručno upravljanje temperaturom u prostoriji
x(t)
Poremećaji z(t)
y1(t)
x1(t)
PZVRV x1(t)=θsž
u1(t)=I
GREJAČ
y(t)=θs x(t)=θž
e(t)=x1(t)-y1(t)= ∆θ
BIMETAL
z(t)
y1(t)=θsi
-
I ∆θ
Grejač
Bimetal
TA peć
Prostorija
Dugme
Prekidač za
uključenje i
isključenje
ventilatora
Termometar
22oC
17
Slika 1.15. Ručno upravljanje temperaturom u prostoriji koja se greje pomoću TA peć
1.5.5 Sistem automatske regulacije temperature u prostoriji
Meri se temperatura u prostoriji θ pomoću termometra, slika 1.16, kada temperatura u
prostoriji koja se greje pomoću TA peći opadne ispod podešene vrednosti (npr. ispod 22oC)
termostat uključuje prekidač na TA peći koji uključuje ventilator koji ubacuje topao vazduh iz
TA peći u prostoriju usled čega temperatura u prostoriji raste. Kada termostat izmeri da je
temperatura u prostoriji dostigla željenu vrednost (npr. 22oC) on isključuje prekidač na TA peći
koji isključuje ventilator koji prestaje ubacivati topao vazduh iz TA peći u prostoriju usled čega
temperatura u prostoriji prestaje da raste. Postoje dva poremećaja (smetnje) koji deluju na
sistem:
z΄1 – promena temerature u prostoriji uzrokovana odvođenjem toplote kroz zidove i
prozore,
z΄2 – promena spoljnje temperature.
Slika 1.16. Sistem automatske regulacije temperature u prostoriji koja se greje pomoću
TA peć
1.5.6 Sistem automatske regulacije nivoa tečnosti u rezervoaru
Sistem automatske regulacije nivoa tečnosti u rezervoaru, slika 1.17., omogućava da se
nivo tečnosti u rezervoaru Ys održava konstantnim, nezavisno od smetnji koje se mogu pojaviti
u dotoku i u odtoku tečnosti z. Objekat regulacije je rezervoar tečnosti. Ulogu mernog
pretvarača i detektora signala greške ima plovak, koji deluje na polugu, koja ima ulogu
regulatora.
TA peć
Prostorija
Termostat Prekidač za
uključenje i
isključenje
ventilatora
22oC
18
Slika 1.17. Sistem automatske regulacije nivoa tečnosti u rezervoaru
1.5.7 Sistem automatske regulacije brzine obrtanja parne turbine i problem
njegove stabilnosti
Da bi se napon na priključcima generatora držao na konstantnoj vrednosti i u slučaju
promene struje opterećenja potrebno je vršiti regulaciju brzine obrtanja parne turbine što se
ostvaruje regulacijom protoka pare na turbinu, slika1.18.:
U = E – ReI
U = kФω – ReI
Na zupčanik je spojen centrifugalni mehanizam. Kugle se u zavisnosti od brzine
obrtanja podižu ili spuštaju, te preko poluge zatvaraju ili otvaraju prigušni ventil koji je smešten
u cev kroz koju protiče para određenog pritiska i temperature. Tako se kompenzuje uticaj
poremećaja i напон на приклјучцима генератора održava konstantnиm.
Ulogu mernog pretvarača i detektora signala greške ima centrifugalni mehanizam koji
meri brzinu i reaguje na promenu brzine obrtanja turbine.
Ulogu regulatora ima poluga.
Ulogu aktuatora (izvršnog organa) ima ventil.
Ulogu objekта regulacije ima turbina.
Izlazna veličina iz aktuatora (izvršnog organa) u1(t) je protok pare.
Regulisana veličina je brzina obrtanja turbine n(t).
Smetnje koje deluju na turbinu su:
- promena stanja (pritiska i temperature) pare z1`
- promena protivpritiska z2`i
- promena opterećenja generatora z3`.
Slika 1.18. Šema sistema automatske regulacije brzine obrtanja parne turbine
Od položaja uporišta P poluge zavisi pojačanje regulatora, slika 1.20.
19
Slika 1.19. Zavisnost pojačanja regulatora od položaja uporišta P poluge
Ako se uporište poluge nalazi blizu leve strane, onda će čak i velika brzina obrtanja
turbine samo malo promeniti položaj ventila (malo pojačanje regulatora). U ovom slučaju nije
zagarantovano da će regulator kompenzovati uticaj poremećaja.
Ako se uporište poluge nalazi blizu desne strane onda će čak i mala brzina obrtanja
turbine biti dovoljna da dosta promeniti položaj ventila (veliko pojačanje regulatora). U ovom
slučaju mogu nastupiti oscilacije brzine obrtanja turbine što može uzrokovati nestabilan rad
sistema automatske regulacije. Zbog toga je prilikom projektovanja regulatora potrebno
voditi računa da se obezbedi stabilan rad sistema automatske regulacije.
Pored toga potrebno je da sistem automatske regulacije ispunjava i dodatne kriterijume
koji se nazivaju kriterijumi kvaliteta regulacije, а to su npr.:
- vreme potrebno za kompenzaciju uticaja poremećaja treba da bude minimalno,
- regulaciono odstupanje uzrokovano poremećajima treba da bude minimalno,
- praćenje vodeće veličine treba da bude što bolje itd.
Ako sistem automatske regulacije ispunjava ove kriterijume onda je on optimalan u
pogledu kvaliteta regulacije.
Prema tome stabilnost rada i optimalnost su najvažniji zadaci koje sistem
automatske regulacije treba da ispuni.
1.6 Istorijski razvoj sistema automatske regulacije
Među prvim objektima regulacije bila je parna mašina i njeni sklopovi, gde je jedan od
regulatora bio regulator nivoa vode u kotlu, a detektor signala greške (koji meri regulisanu
veličinu, tj. nivo vode) predstavlja plovak.
Sledeći primer je Vatov centrifugalni regulator brzine parne mašine koji je izumljen
je 1788. godine., slika 1.20. Kod njega je detektor signala greške centrifugalni mehanizam, koji
reaguje na promenu ugaone brzine, ustvari generiše centrifugalnu silu proporcionalnu brzini
obrtanja. Kugle se u zavisnosti od brzine obrtanja podižu ili spuštaju, te preko poluge zatvaraju
ili otvaraju prigušni ventil koji je smešten u cevi kroz koju dotiče para. Tako se utiče na brzinu
obrtanja mašine. Prvi regulator brzine vozila u suštini je funkcionisao na vrlo sličan način –
postojao je centrifugalni senzor brzine, a mehanička poluga je delovala na zaklopku
(akcelerator ili „gas“) vozila. To je bilo 1958. godine.
20
Slika 1.20. Vatov centrifugalni regulator brzine parne mašine
Kod motora sa unutrašnjim sagorevanjem vrši se hlađenje motora, gde je potrebno
vršiti regulaciju temperature vode. Kao detektor signala greške koristi se termostat.
Svi navedeni regulatori bili su mehanički i direktnog delovanja, odnosno nije im bio
potreban dodatni izvor energije.
Tokom XIX veka nastao je veći broj regulatora raznih konstrukcija: mehaničkih,
hidrauličnih, pneumatskih i električnih.
Razvoj automatike u XX veku doneo je uvođenje elektronskih analagnih i digitalnih
regulatorskih sklopova. Jedan od njih je za održavanje kursa leta aviona pomoću autopilota,
slika 1.21., gde je objekat upravljanja sam avion, detektor signala greške žiroskop, a regulacioni
organ krma aviona. Pod pojmom autopilot, podrazumeva se veoma složeni uređaj, koji
automatski održava pravac i kretanje aviona u prostoru.
Slika 1.21. Blok šema uobičajenih uloga autopilota
Poslednjih decenija 20. veka i početkom ovog veka svedoci smo neslućenog razvoja i
nagle primene sistema automatske regulacije. To je posledica žestoke borbe na svetskom tržištu
za prestiž u kvalitetu i ceni proizvoda, što je nametnulo potrebu za velikom primenom automata
i robota u automatizaciji proizvodnih procesa. Ova automatizacija proizvodnih procesa
podrazumeva primenu robota, numerički upravljanih alatnih mašina, industrijske pogone opšte
namene i računarske periferijske uređaje. To je dovelo do snažnog i vrlo dinamičnog razvoja i
primene sistema sa regulisanim pogonima MCS (Motion control systems).
Kao što je pronalazak parne mašine prouzrokovao široku primenu mehanički
upravljanih sistema u industriji i time započeo prvu industrijsku revoluciju, tako nas je sadašnji
razvoj mikroelektronike i računarske tehnologije i njihove primene u elektronski regulisanim
pogonima EMCS (Electronic motion control systems) doveo na prag druge industrijske
revolucije, koju karakteriše visok stepen automatizacije. Moderni industrijski robot uveden je
21
prvi put u Japanu 1980. godine, i od tada se razvijao od izvršioca jednostavnih manipulativnih
radnji (dodavanje, montiranje i sl.) do izvršioca sofisticiranog rada kao što su zavarivanje,
farbanje, sklapanje, ispitivanje i podešavanje. Danas je uočljiv trend primene robota u
neproizvodnim oblastima kao što su nuklearne elektrane, zdravstvo, poljoprivreda, prevoz i
skladištenje roba, podvodni radovi i svemirska istraživanja.
1.7 Upravljanje procesima pomoću računara
U početku su računari korišćeni kao sredstvo za obradu podataka. Na samom sistemu
vršena su merenja. Dobijeni podaci su se unosili u računar u kome je vršena njihova obrada i
dobijano traženo rešenje. Pri tome je vreme potrebno za dobijanje rešenja zavisilo isključivo od
toga kada će podaci biti uneti u računar i koliko dugo će trajati programska obrada tih podataka.
Za to vreme, sistem je obavljao svoje aktivnosti u nekoj svojoj vremenskoj skali, izraženoj u
delovima sekundi ako se radi o praćenju leta aviona, u sekundama kod mehaničkih sistema ili u
minutima kod tehnoloških procesa.
Tek kasnije stvorena je mogućnost da se računari i fizički povežu sa spoljnim sistemom
i da se celokupan postupak merenja, obrade, analize, pa i primene rešenja vrši direktno tokom
rada samog sistema, dakle u istoj vremenskoj skali u kojoj radi i sam sistem.
Suštinska razlika između dva opisana postupka je u vremenu u kome se oni odvijaju, u
prvom slučaju računar se koristi kao sredstvo za obradu podataka (Sl. 1.22), potpuno nezavisno
od vremena u kome sam sistem radi, dok se u drugom slučaju računar koristi za upravljanje
procesima u realnom vremenu, rad računara se odvija u vremenu u kome radi i sam sistem (Sl.
1.23).
Sl. 1.22. Računar kao sredstvo za obradu podataka
Sl. 1.23. Računar za upravljanje procesima u realnom vremenu
Da bi računarski sistem mogao da upravlja procesima u realnom vremenu potrebno je da
ispunjava određene zahteve. Pre svega, računarski sistem mora da bude povezan sa spoljnim
procesom preko posebnih procesnih ulazno/izlaznih uređaja. Zatim, obrada podataka u računaru
mora da se odvija u istoj vremenskoj skali u kojoj radi i spoljni proces. Konačno, ukoliko se
spoljni događaji dešavaju simultano, računar mora biti u stanju da na njih i simultano reaguje,
odnosno da uspostavi izvesnu hijerarhiju reakcija tako de se ne ugrozi rad procesa.
Računari su nezamenjivi kod obrade podataka u realnom (stvarnom) vremenu (on-line).
Osnovni razlozi za to su velika brzina rada i velika moć u obradi podataka, odnosno mogućnost
obrade velike količine najrazličitijih podataka u veoma kratkom vremenu. Hardverski, računari
22
mogu biti bilo kakvog tipa i proizvođača, specifičnost čini softver, odnosno programska
podrška za pojedini sistem. Svaki sistem je po nečem specifičan, pa on zahteva posebne
konkretne programe. Tu je najznačajniji tzv. merni ili upravljački algoritam, koji mora biti
usklađen s karakterom procesa i onim što želimo da radi sistem. Ovakav algoritam kreira
obično interdisciplinarni tim stručnjaka. Pošto je algoritam razvijen, on se realizuje uz upotrebu
nekog programskog jezika i unosi u računar. On je tada osposobljen da obavlja mernu i
upravljačku funkciju u konkretnom sistemu.
Za Vatov centrifugalni regulator brzine, bilo je potrebno znanje iz mehanike, odnosno iz
teorije mehanizama, da bi se konstruisao regulator. Kroz regulator (od vertikalne osovine
regulatora do prigušnog ventila pare) proticala je znatna snaga. Obrada informacija nije
energetski odvojena od procesa koji se reguliše, pa takav regulator ne može biti nimalo
fleksibilan, u smislu eventualnih obavljanja nekih dodatnih funkcija.
Međutim, tek su digitalni računari, odnosno mikroprocesori omogućili potpuno
odvajanje obrade informacija od izvršne i merne funkcije nekog sistema automatske regulacije.
Dakle digitalni računari (ili bolje samo „računari“), mikroprocesori i mikrokontroleri
(mikroračunari) su omogućili široku upotrebu automatske regulacije. Relativno lako se mogu
programirati, jeftini su i dostupni. Čitav niz naprednijih funkcija regulacije jednostavno se može
implementirati. Neki savremeni algoritmi vođenja, poput npr. kliznih režima, neizrazitog
vođenja (fuzzy control), adaptivne regulacije itd., su inherentni računarima, jer bez njih ne bi ni
postojali.
Danas se većinom procesa, i to vrlo složenih, upravlja pomoću računara, uz malo ili
nikakvo učešće čoveka, često su to delatnosti vrlo kritične po svojoj funkciji, kao što je
medicina, navođenju aviona, brodova i sl.
Čovek se trudi da u računare ugradi bar neka svojstva inteligentnih bića. Ta inteligentna
svojstva su posebno posledica programa koji upravljaju radom celokupnog računarskog
sistema. Stvaratelj programa je još uvek samo čovek i on je od rešavanja, manje ili više složenih
algoritama prešao na ugrađivanje sposobnosti rasuđivanja, zasnovane na prikupljenom znanju.
Tako danas dolazi do pojave novog pojma vezanog za računar: “veštačka inteligencija”.
Kod realizacije sistema veštačke inteligencije nije dovoljno znati programirati, nego se
javlja potreba za dubokim interdisciplinarnim istraživanjem da bi se razumeli procesi koji
postoje u stvarnom životu i da bi se izradio algoritamski model koga je zatim moguće
realizovati na računaru ili uz pomoć računara.
1.7.1 Računarski sistemi za upravljanje procesima u realnom vremenu
Računarski sistemi za upravljanje procesima u realnom vremenu na osnovu signala sa
senzora koji su snimljeni u određenoj mernoj sredini preko različitih aktuatora upravljaju
procesima, slika 1.24. Nazivaju se još i “on-line” sistemi za upravljanje procesima u realnom
vremenu. Naziv “on-line” označava da se upravljanje vrši automatski istog trenutka u kome i
merenje (u realnom vremenu), bez uticaja čoveka na sam proces upravljanja. Za računarski
sistem se kaže da upravlja procesima u realnom (stvarnom) vremenu onda kada je u stanju da
reaguje na spoljnje događaje u trenucima u kojima se oni dešavaju.
23
Slika 1.24. Pojednostavljena blok šema računarskog sistema za upravljanje procesima u
realnom vremenu
Na slici 1.25. je prikazana blok šema računarskog sistema za upravljanje procesima u
realnom vremenu.
Slika 1.25. Blok šema računarskog sistema za upravljanje procesima u realnom
(stvarnom) vremenu
Računarski sistem za upravljanje procesima u realnom vremenu se sastoji od tri osnovna
dela:
1. Prvi deo (vrh slike), je digitalni računar.
2. Drugi deo (središnji deo slike), su:
- sklopovi preko kojih se senzori koji se nalaze u mernoj sredini povezuju sa
digitalnim računarom, kao što su: sklop za primarnu obradu signala (kondicioner
signala), multiplekser, sklop za uzorkovanje, A/D pretvarač i interfejs za ulaz.
- sklopovi preko kojih se aktuatori koji se nalaze u mernoj sredini povezuju sa
digitalnim računarom, kao što su: izlazni interfejs, D/A pretvarač i sklop za
prilagođavanje izlaznog analognog signala aktuatoru.
3. Treći deo (dno slike), su senzori i aktuatori koji se nalaze u mernoj sredini.
1.7.2 Načini povezivanja računara sa procesom
Osnovni načini povezivanja računara sa procesom se mogu prikazati na jednostavnom
primeru procesa s jednom ulaznom i jednom izlaznom veličinom. Postoje dva osnovna načina
povezivanja računara sa procesom:
1. Kaskadno povezivanje računara sa procesom, slika 1.26. Kod ovakvog načina
povezivanja procesom direktno upravlja regulator koji se nalazi u povratnoj sprezi, a indirektno
računar. Računar je povezan na ulaz regulatora i predaje regulatoru ulaznu informacionu
24
veličinu XI. Čovek komunicira s regulacionim krugom preko računara, npr. predajom podataka
za promenu ulazne informacione veličine XI, ili preko računara menja parametre regulatora.
Slika 1.26. Kaskadno povezivanje računara sa procesom
Kaskadni način upravljanja ima svoje prednosti kada se radi o automatizaciji starijih
postrojenja koja nisu u početku bila projektovana za upravljanje pomoću računara. Inženjeri u
pogonu imaju mogućnost primene klasičnog znanja iz regulacije kao i svog radnog iskustva i
postepenog privikavanja za upotrebu savremenih računara za upravljanje procesima. Druga
važna pogodnost kaskadnog povezivanja je u povećanoj sigurnosti rada pogona u situacijama
kada postoje problemi u radu računara (na primer kod izmene programske podrške, softvera ili
prekida rada računara zbog kvara).
2. Direktno povezivanje računara sa procesom, slika 1.27. - U savremenim
industrijskim pogonima primenjuje se direktno digitalno upravljanje DDC (Digital Direct
Control) kod koga u regulacionom krugu nema klasičnog regulatora. Računar je direktno
povezan sa procesom, odnosno sa senzorom i aktuatorom. Komunikacija između digitalnog
računara i analognog procesa omogućena je primenom A/D i D/A pretvarača. Algoritam
upravljanja je programska podrška (softver) upisana u memoriju računara.
Slika 1.27. Dirktno povezivanje računara sa procesom
Velika prednost DDC povezivanja je u potpunoj fleksibilnosti upravljanja. Kod
klasičnih regulacionih krugova svaka promena u komponentama skupa zahteva prekid rada
pogona. Ovde su sve upravljačke karakteristike zapravo naredbe u računarskom programu i
lagano se menjaju i usavršavaju. Povećanje sigurnosti u radu se postiže upotrebom paralelnog
(rezervnog) računara koji se automatski uključuje u slučaju prekida rada. Problemi u vezi
pouzdanosti rada računara su takođe potpuno rešeni upotrebom posebne klase PC računara
namenjenih za rad u uslovima pogona. Ovakvi industrijski PC računari imaju potpuno
pouzdane komponente i vlastite rezervne izvore energije.
25
1.7.3 Vrste upravljanje složenim procesima pomoću računara
Savremeno proizvodno postrojenje ima više mernih sklopova i regulacionih krugova,
zbog čega automatski proces zahteva više različitih uređaja za merenje i regulaciju. Rad svih tih
uređaja potrebno je međusobno uskladiti, što se može obaviti na više različitih načina. Najčešće
se koriste:
- centralizovano upravljanje i
- decentralizovano (distribuirano, raspodeljeno, hijerarhijsko) upravljanje.
1. Centralizovano upravljanje
Centralizovano upravljanje predstavlja upravljanje složenim procesima s jednog
(centralnog) mesta. Uređaj za upravljanje mora biti sposoban da obrađuje veliki broj
informacija u jedinici vremena, a takve uslove ispunjava računar, analogni ili digitalni. Digitalni
računari, u kombinaciji sa analogno-digitalnim (A/D) i digitalno-analognim (D/A)
konvertorima su češće u upotrebi. Ranije se uz centralni računar koristio i podsistem za
raspodelu vremena, a u novije vreme se koriste paralelni računari, koji mogu obrađivati više
informacija istovremeno. Centralizovano upravljanje zahteva visoku pouzdanost računara, ali je
pogodna za nadzor.
2. Decentralizovano (distribuirano, raspodeljeno, hijerarhijsko) upravljanje
Veća pouzdanost se postiže decentralizovanim upravljanjem u kome su podsistemi
grupisani po srodnosti ili celovitosti tehnološkog postupka, a svakom podsistemu se dodeljuje
jednostavniji računar. U centralnom računaru se obrađuju glavni podaci dobijeni iz manjih
računara i izdaju glavni nalozi podsistemima. Izbor računara zavisi od niza faktora.
Decentralizovano upravljanje se koristi se kod sistema sa složenim algoritmima
upravljanja. Kod decentralizovanog upravljanja nadređeni viši nivo generiše željenu vrednost za
niži podređeni nivo, a svaki od nivoa ima različite odgovornosti. Najveća pouzdanost rada
zahteva se od najnižeg nivoa, dok viši nivoi imaju zadatak da poboljšaju performanse iznad
minimalno dopuštenog nivoa. Prvi nivo predstavlja regulacija, koja generiše funkciju
upravljanja. Drugi nivo je optimizacija, treći adaptacija, a četvrti samoorganizacija.
Samoorganizacija određuje projektne zahteve koji definišu strukturu svih određenih nivoa, a
zasnovani su na prikupljenom iskustvu i poboljšanom razumevanju sistema.
U početku primene računara za upravljanje, od 1960, kada su računari bili vrlo skupi,
upravljanje se zasnivalo na upotrebi jednog velikog središnjeg (centralnog) računara. Razvojem
tehnologije poluprovodičkih elemenata (čipova) cena računara postaje sve manje značajna i
istovremeno snaga malih računara omogućuje primenu velikog broja računara za upravljanje
proizvodnjom u nekom proizvodnom pogonu ili celoj fabrici. Upravljanje proizvodnjom gde su
računari raspodeljeni i namenjeni upravljanju posebnim procesnim jedinicama naziva se
distrbuirano (raspodeljeno) računarsko upravljanje DCC (Distributed Computer Control).
Procesne jedinice i računari su povezani u celinu koja ima organizovanu strukturu u više nivoa.
U industrijskim pogonima potrebno je razviti hijerarhijsku strukturu računarske mreže sa više
nivoa, kao što je prikazano na slici 1.28.
Upotreba računara za upravljanje procesima je najvažnija osobina savremenih
upravljačkih sistema u procesnoj industriji. Računari se povezuju direktno sa procesom (on-
line) i ujedno se računari međusobno povezuju u mrežu računara.
26
Slika 1.28. Hijerarhijska strukturu računarske mreže sa više nivoa za upravljanje
procesima
Na slici 1.28. su naznačeni sledeći nivoi u CIM (kompjuterom integrisana proizvodnja)
strukturi:
- Nivo procesnih jedinica. - Osnovni nivo čine posebne procesne jedinice koje su
neposredno ("on-line") upravljane. Kao primer može se uzeti nivo procesnih jedinica
u nekoj prehrambenoj industriji. To su rezervoari u kojima se skladišti sirovina,
zatim slede mešalice za pripremu smesa, transport smesa do punilica na proizvodnoj
traci, proces toplotne obrade (npr. kuvanje ili pečenje), ambalažiranje proizvoda i
transport do skladišta gotovih proizvoda.
- Nivo senzora i aktuatora. - Svaka procesna jedinica povezana je sa senzorom i
aktuatorom preko posebnog računara za upravljanje. Senzorom, se mere procesne
veličine stanja, kao što su mase (količine) ili protoci pojedinih komponenata,
temperatura, pritisak, pH i sve ostale važne procesne veličine. Aktuatore čine
regulacioni ventili za upravljanje prenosom mase i energije, regulacioni prekidači,
pumpe itd.
- Nivo PC računara za neposredno upravljanje pojedinim procesnim jedinicama. - Na prvom računarskom nivou, nalaze se računari klase PC za neposredno
upravljanje pojedenim procesima. Najčešće, takvi računari imaju zadatke
programskog upravljanja tokom operacija i regulaciju pojedinih procesnih veličina.
Računari su povezani horizontalno tako da je omogućena sinhronizacija rada
procesnih jedinica.
- Nivo računara u klasi radnih stanica WS. - Informacije s nivoa neposredne
proizvodnje se prenose na viši nivo gde se nalaze računari u klasi radnih stanica
(WS). Na ovom nivou obavljaju se složeni zadaci upravljanja, kao što je
projektovanje procesne opreme, "on-line" i "off-line" optimizacija proizvodnih
planova i receptura za pojedine proizvode. Ovakvi računari podržavaju distribuirane
baze podataka o tekućoj proizvodnji kao i tehničku dokumentaciju o procesnim
jedinicama. Računari imaju veću moć procesuiranja, rade s više korisnika u isto
vreme (multi user programming) i/ili zadataka (multi tasking). Radne stanice su
27
međusobno povezane u horizontalnu mrežu računara, ali i postoji povezanost prema
nižem i višem nivou.
- Nivo glavnog računara MF. - Na najvišem nivou, nalazi se središnji ili glavni
računar MF (Main Frame Computer) koji ima najveću procesnu moć obrade
informacija. Ovaj računar najčešće ima zadatak da obavlja najzahtevnije zadatke kao
što su dugoročna optimizacija proizvodnje za celokupno preduzeće i da obavlja
finansijsko poslovanje.
Strukturisanjem računara postiže se velika fleksibilnost tako da se lagano sistem
računara širi i/ili zamenjuje novim računarima i procesnim jedinicama. Ujedno je postignuta
velika stabilnost u radu celokupnog sistema.
Slika 1.29. Primer korisničkog programskog prikaza za upravljanje procesima
1.7.4 Nadzor i upravljanje procesima pomoću SCADA sistema
SCADA je skraćenica od Supervisory Control And Data Acquisition, što znači nadzor
(praćenje parametara), upravljanje (podešavanje parametara) i akvizicija (prikupljanje)
podataka. Pod SCADA sistemom se najčešće podrazumeva računarom vođen nadzorno-
upravljački sistem, koji služi za nadzor i upravljanje celokupanim tehnološkim procesom
pomoću računara u realnom vremenu sa velike udaljenosti.
SCADA sistemi predstavljaju veoma moćnu hardversku i softversku konfiguraciju, koja
ima širok spektar mogućnosti, kao što su: nadzor (alarmiranje, vizuelizacija procesa,
prikazivanje procesa u realnom vremenu, praćenje više procesa istovremeno sa jednog mesta
itd.), upravljanje i akvizicija podataka,
U novije vreme često se nadzor i upravljanje složenim tehnološkim procesima (kao što
su proizvodnja automobila, sokova, elektronskih uređaja, naftnih derivata, čelika, vode za piće
itd.) vrši pomoću računara. Da bi se to uspešno realizovalo u pogone se ugrađuju senzori koji
različite fizičke veličine (silu, temperaturu, relativnu vlažnost, dužinu, broj obrtaja, brzinu,
nivo, intenzitet svetlosti i dr.) pretvaraju u električne veličine. Pomoću njih se dobijaju
informacije o funkcionisanju procesa, na osnovu kojih se može uticati na poboljšanje
proizvodnog procesa. Kao takav, senzor predstavlja jedan deo veze između fizičkog sveta i
električnih uređaja. Drugi deo ove veze predstavljaju aktuatori, koji pretvaraju električni signal
u fizičku pojavu. Aktuatoari (izvršni organi) su uređaji koji provode odgovarajuće korekcije i
upravljačke akcije. Ulazne fizičke veličine mogu da budu sila, temeperatura, dužina, brzina,
28
nivo pH, intezitet svetlosti itd. Izlazni signali mogu da upravljaju ventilima, relejima,
svetiljkama, zvučnim sirenama, motorima itd.
Savremena rešenja upravljanja, na bazi merenja fizičkih veličina iz tehnoloških procesa,
koncipirana su tako da se za merenje koriste senzori koji neelektrične veličine pretvaraju u
električne signale, sika 1.30. Ti električni (naponski ili strujni) signali se dovode na PLC-ove
(Programabilne logičke kontrolere) u kojima se vrše određena poređenja i u kojima se može
ostvariti upravljačka logika. Sa PLC-ova se zatim izdaju upravljačke akcije ka aktuatorima
(uključenje/isključenje prijemnika ili podešavanje napona na prijemniku), ili im se zadaju
referentne vrednosti veličina čiju regulaciju vrši lokalni regulator u aktuatoru.
Na osnovu primljene komande da obave neku operaciju ili da ostvare zadatu vrednost
neke procesne veličine, PLC-ovi sprovode niz pojedinačnih komandi ka aktuatorima,
kontrolišući preko senzora odvijanje operacije.
PLC-ovi (periferijske računarske jedinice) na koje su povezani senzori i aktuatori iz
tehnološkog procesa komuniciraju sa centralnim (serverskim) nadzornim računarom. Centralni
računar služi za prikupljanje i prikaz informacija na jednom mestu, njihovo arhiviranje i
zadavanje instrukcija PLC-ovima. Instrukcije koje se od centralnog računara prenose ka PLC-
ovima su često komande za obavljanje određene kompleksnije operacije. Komande od
centralnog računara ka PLC-ovima se mogu generisati automatski, na bazi algoritma i programa
koji se izvršava na centralnom računaru, ali je češći slučaj da njih zadaje operater sistema,
preko alfanumeričke tastature, a na bazi informacija prikupljenih iz procesa (preko senzora)
prikazanih na centralnom računaru SCADA sistema.
Prenos informacija u jednom i drugom smeru između centralnog računara i PLC-ova se
vrši računarskim komunikacionim putem, dok je veza između PLC-ova i senzora i aktuatora
najčešće klasična električna veza.
Slika 1.30. Struktura SCADA sistema
Senzor
Aktuator
Okolina
Centralni računar
Okolina
PLC
29
U osnovi PLC-ovi (programabilni logički kontroleri) su projektovani za rad u izuzetno
nepovoljnim klimatsko-tehničkim uslovima koji vladaju u industrijskim postrojenjima. Oni su
veoma pouzdani, jednostavani za održavanje i programiranje. PLC-ovi nisu zamišljeni kao
računari opšte namene, već kao sistemi čiji operativni sistem omogućava da se jednostavno i u
realnom vremenu obavi akvizicija velikog broja podataka, izvesna, ne preterano složena obrada
tih podataka i prenošenje rezultata obrade na aktuatore. Pored toga, PLC-ovi su zamišljeni kao
modularani sistemi na koje se, prema potrebi, mogu priključiti različiti ulazno/izlazni moduli.
Uvođenjem SCADA sistema za nadzor i upravljanje tehnološkim procesima snižavaju
se troškovi rada tehnoloških procesa i povećava se sigurnost rada. Kada se SCADA sistem
jednom uvede u tehnološki proces, on omogućava nadogradnju mnogih dodatnih funkcija, dalji
razvoj i unapređenje. Iako cena komercijalnih SCADA sistema više ne predstavlja veliki
finansijski izdatak, nije smisleno provođenje i osavremenjavanje manje zahtevnih tehnoloških
procesa. SCADA sistemi imaju veoma veliku primenu u različitim oblastima, svuda gde je
neophodno nadzirati i upravljati velikim skupom procesa. Primeri primene su u
elektroenergetskim sistemima, vodoprivredi, industriji, rudarstvu, saobraćaju itd. Mogu se
upotrebiti od npr. jednostavnog nadzora temperature, vlažnosti vazduha, pritiska, do npr. veoma
kompleksnog nadzora i upravljanja proizvodnim procesima u fabrikama ili saobraćajem na
železnici.
1.7.5 Kompjuterom integrisana proizvodnja
Imajući u vidu postojeće zahteve poslovanja kao i razvoj računarskih tehnologija
dolazimo do pojma CIM sistema (Computer Integrated Manufacturing) odnosno kompjuterom
integrisana proizvodnja. Kod ovih sistema proizvodnja je shvaćena u širem smislu i ne
obuhvata samo procese proizvodnje i montaže već i ostale procese poslovnih sistema. Zato je
naglasak na I u akronimu CIM. Pojam CIM sistema je dalje evoluirao tako da dolazimo do
pojma HOCIM (Human Oriented CIM) sistema sa naglašenom ulogom ljudskih resursa u
razvoju CIM sistema i CIE (Computer Integrated Enterprise) sa naglašenim vezama poslovnog
sistema sa ostalim poslovnim sistemima. Kasnije i do pojma CAI (Computer Aided Industry)
sistema sa naglašenom integracijom između više poslovnih sistema u okviru iste grane i
industrije u celini, i pojma CIB (Computer Integrated Bussines) poslovanja u celini.
1.7.5.1 Fleksibilna automatizacija FA
Potreba za povećanjem fleksibilnosti i automatizacije je odgovor poslovnih sistema na
uslove koje diktira okruženje. FA je takav vid automatizacije procesa pri kome se zadržava ili
povećava nivo automatizacije. Dok je kod konvencionalnih metoda povećanje nivoa
automatizacije značilo smanjenje nivoa fleksibilnosti, kod fleksibilne automatizacije teži se
istovremenom povećanju nivoa automatizacije i fleksibilnosti. Istovremeno povećanje nivoa
fleksibilnosti i automatizacije postiže se primenom kompjuterskih ili C-tehnologija. Ovaj pojam
se koristi kada se želi naglasiti primena računara u raznim oblastima. Da bi primena CIM
sistema bila uspešna, proizvodne tehnologije treba da budu povišenog nivoa automatizacije i
fleksibilnosti kao i pouzdanosti i tačnosti. Ovi protivurečni zahtevi se mogu ostvariti primenom
fleksibilne automatizacije FA (Flexible Automatisation).
1.7.5.2 NC (Numerical Control) mašine
Naziv NC (Numerical Control) potiče od toga što se upravljanje ostvaruje preko
odgovarajućih programa sastavljenih od odgovarajućih naredbi definisanih preko numeričkih
veličina (0 i 1). Programska naredba se sastoji iz simbola koji se registruju na bušenoj traci u
vidu različitih kombinacija otvora. Svakom otvoru odgovara signal 0 ili 1 koji se registruje iza
30
čitača bušene trake. Na taj način se ostvaruje numeričko upravljanje. Program za upravljanje
NC alatnom mašinom se naziva NC izvorni program. NC alatna mašina predstavlja sistem koji
se sastoji od podsistema:
- alatne mašine,
- mernog sistema,
- pogonskog sistema i
- upravljačke jedinice.
1.7.5.3 CNC mašine (Computer Numerical Control)
Razvoj računara i nagli pad njihove cene na tržištu omogućio je njihovu primenu u
upravljanju alatnim mašinama. Pri tome računar preuzima jedan deo upravljačkih funkcija, koje
su kod NC mašina bile rešene hardverskim putem.
Kompjutersko numeričko upravljanje (Computer Numerical Control – CNC) najčešće se
definiše kao numeričko upravljanje u koje je integrisan računar. U njegovoj memoriji su
smešteni programi za realizaciju nekih ili svih funkcija upravljačke jedinice. Prema VDI
uputstvu CNC se definiše kao: numeričko upravljanje koje sadrži programabilni računar
za upravljanje radom alatnih mašina, mernih mašina ili nekoliko jedinica iste vrste koje
simultano izvode radne operacije.
Programiranje NC i CNC mašina može da bude:
- ručno,
- ručno sa pomagalima (poluautomatizovano) i
- automatizovano (mašinsko).
1.7.5.4 AC (Adaptive Control) sistemi
Adaptivno upravljanje je vid upravljanja koji se zasniva na svojstvu adaptacije sistema,
a adaptacija ili prilagođavanje sistema je proces menjanja osobina sistema radi postizanja
najboljeg, ili u krajnjoj meri, prihvatljivog funkcionisanja u promenjivim uslovima okruženja.
Kod AC mašina se režim rada mašine menja u zavisnosti od veličine poremećajnih dejstava za
vreme procesa (što nije slučaj kod NC, CNC, PLC sistema). Adaptivno upravljanje karakteriše
zatvorena povratna sprega koja se ostvaruje preko mehanizma za adaptaciju. Razlikuju se:
- granično regulisanje ACC (Adaptive Control Constraint)
- optimizaciono regulisanje ACO (Adaptive Control Optimisation).
1.7.5.5 DNC (Direct Numerical Control) sistemi
Direktno numeričko upravljanje DNC (Direct Numerical Control) prema VDI uputstvu
se definiše kao “sistem za direktno numeričko upravljanje većeg broja alatnih mašina preko
pridodatog procesnog računara”. Na ovaj način je povećan nivo automatizacije uz evidentan
visok nivo fleksibilnosti.
U opštem slučaju DNC sistem čine dva računara, jedan nadređeni ili “veliki” računar 1 i
jedan podređeni ili “mali” računar 2, koji preuzima odgovarajuće programe od računara 1 i
memoriše ih u svojoj eksternoj memoriji. Računar 2 dostavlja odgovarajući program obrade
odgovarajućoj NC alatnoj mašini.
31
1.7.5.6 CAD (Computer Aided Design) sistemi
CAD (Computer Aided Design) sistem se definiše kao primena računara u smislu alata
za podršku pri kreiranju, analizi, modifikovanju ili optimizaciji neke konstrukcije. Primena
računara obuhvata korišćenje odgovarajućeg hardvera i softvera.
CAD hardver obuhvata:
- računar (CPU),
- jednu ili više grafičkih jedinica i
- tastaturu i ostale periferijske uređaje (miš, palica, digitajzer…).
CAD softver obuhvata:
- programe za primenu kompjuterske grafike,
- aplikacione programe i
- programe za ostvarivanje komunikacije između različitih CAD sistema.
1.7.5.7 CAM sistemi (Computer Aided Manufacturing)
CAM sistemi predstavljaju računarom podržanu proizvodnju. Ulaz u svaki CAM sistem
je opis geometrije predmeta. U prvom koraku je potrebno definisati tehnološki proces što
obezbeđuje tzv. CAPP modul CAPP (Computer Aided Proces Planning). CAPP modul sadrži tri
osnovna segmenta:
- ulaz geometrije,
- opis tehnologije i
- generisanje upravljačkih informacija i prateće dokumentacije.
Hardver CAM sistema je sličan hardveru CAD sistema, a softver CAM sistema
obuhvata softver:
- CAPP sistema
- Za izvođenje operacija na CNC mašinama i IR.
1.7.5.8 CAQ (Computer Aided Quality) sistemi
CAQ (Computer Aided Quality) sistemi predstavljaju odgovor poslovnih sistema na
zahteve okruženja u pogledu unapređenja kvaliteta.
- Na najnižem nivou (1) računar se koristi za obuhvatanje podataka iz proizvodnje. To
su podaci iz oblasti merenja.
- Na drugom nivou (2) je neposredno upravljanje kvalitetom pomoću računara, a na
osnovu podataka iz proizvodnje.
- Na višem upravljačkom nivou (3) su CAQ sistemi u užem smislu koji sadrže i
modul planiranja kontrole kvaliteta i obrade rezultata kontrole kvaliteta.
- Na najvišem nivou (4) je CIQ sistem CIQ (Computer Integrated Quality) koji
obezbeđuje integraciju svih podsistema poslovnog sistema uz unapređenje kvaliteta
u svakom od njih.
32
1.7.5.9 Fleksibilni tehnološki sistemi FTS
Fleksibilni tehnološki sistemi predstavljaju konsekventnu realizaciju ideje o
istovremenom povećanju stepena automatizacije procesa obrade, montaže, transporta i
manipulacije predmeta i alata, uz povećanje nivoa fleksibilnosti promenom odgovarajućeg
upravljačkog sistema. Drugim rečima, integracijom obradnih sistema (NC, CNC, FTC, AC,
PLC), skladišnih sistema, manipulacionih sistema (IR), CAQ i transportnih sistema pomoću IT
formiraju se fleksibilni tehnološki sistemi FTS. Koristi se i akronim FMS (Flexible
Manufacturing System). Jedan FTS može da sadrži:
- Univerzalne alatne mašine,
- Specijalne ili CNC alatne mašine,
- Dodatno, mašine za pranje, kontrolu itd.
Prema geometrijskom obliku delova koji se izrađuju u okviru FTS razlikujemo FTS za
obradu:
- Rotacionih delova,
- Rotacionih i prizmatičnih delova i
- Prizmatičnih delova.
Imajući u vidu raspored mašina i vezu između njih razlikujemo FTS sa:
- Rednim rasporedom mašina,
- Paralelnim rasporedom mašina i
- Kombinovanim rasporedom mašina.
1.7.5.10 PLC (Programmable Logic Control) sistemi
Izmena bilo koje komponente NC sistema indukovala bi velike troškove, zbog zamene i
drugih komponenti sistema, pa se javila potreba za fleksibilnim interfejsom. Ovo je uslovilo
veću primenu PLC sistema, kod kojeg se zadate funkcije realizuju softverskim putem. One se
unose u vidu programa u memoriju takvih sistema. Sve veću ulogu imaju “inteligentni”
kontroleri kojima inteligenciju omogućuje ugrađeni mikroračunar, čije svojstvo
programabilnosti određuje i njihov naziv – programabilni logički kontroleri PLC
(Programmable Logic Control).
Zadatak PLC sistema je da:
- preuzme ulazne informacije,
- prenese ih do procesora i
- na izlazu ostvari upravljačke instrukcije.
1.7.6 Osnovni postupci (koraci) koje treba realizovati tokom projektovanja i
izrade sistema za vođenje procesa
Osnovni postupci (koraci) koje treba realizovati tokom projektovanja i izrade sistema za
vođenje procesa, su:
- Prvi korak traži da se definišu ciljevi celokupnog projekta. U vezi s tim treba
proučiti rad i delovanje procesa, koji će raditi zajedno s on-line računarskim
sistemom. Već smo uočili da procesi mogu biti vrlo različiti. Mogu biti vrlo složeni,
33
kontinuirani ili diskretni, smešteni na sasvim malom prostoru ili rasprostranjeni po
celoj zemaljskoj kugli itd.
- Prvi korak pri izgradnji sistema za upravljanje procesima pomoću računara jeste
definisanje onoga što se želi da sistem radi. Nakon toga treba proučiti odgovarajući
proces i napraviti merni ili upravljački algoritam, koji će omogućiti da računar radi
sve ono što je postavljeno kao zahtev za sistem u realnom vremenu (on-line), pošto
se algoritam u obliku programa unese u računar. Konstruktor sistema za upravljanje
procesima pomoću računara ima zadatak da napravi sve ono što je potrebno da bi se
proces merio, pratio, upravljao ili vodio. Pri tome on upotrebljava digitalne
računare, njihove hardverske i programske elemente, ali i mnoštvo različitih
sklopnih analognih i digitalnih elemenata, senzora, izvršnih organa itd. Zbog
složenosti takvog zadatka obično se formiraju višedisciplinarni timovi stručnjaka,
koji zajednički rade na realizaciji celokupnog projekta.
- Pošto se detaljno prouči proces potrebno je napraviti odgovarajući upravljački ili
merni algoritam koji vodi rešenju problema koji je postavljen kao cilj, slika 1.31.
Ako se radi o jednostavnijoj problematici, kao što je npr. merenje vodostaja reke,
rad semafora za regulaciju saobraćaja i sl. tada takav algoritam može napraviti i sam
konstruktor sistema. Međutim, ako se radi o složenim sistemima i procesima za koje
postoje posebni stručnjaci (tehnolozi) koji rade isključivo na toj problematici, onda
će za izradu takvih algoritama biti neophodna saradnja stručnjaka za ta područja, a
pitanje je može li se problem u celosti rešiti i uz njihovu pomoć. Takvi procesi mogu
biti proizvodnja nafte i gasa, nadzor vazdušnog saobraćaja, upravljanje brodom i sl.
U tim slučajevima stručnjaci za pojedina područja aktivno učestvuju u izradi
upravljačkog algoritma. Merni i upravljački algoritam se najčešće izražava u obliku
dijagrama toka operacija, koji sadrži sve korake koje treba napraviti da bi se došlo
do rešenja problema. Dijagram toka može biti napravljen tako da se ima na umu
realizacija upravljačkog algoritma pomoću digitalnog računara. Ovde smo zbog
kratkoće naziva algoritam nazvali upravljačkim i mernim, ali on najčešće neće
obuhvatati samo merenja i upravljanje, već dosta širok spektar različitih aktivnosti
vezanih uz proces.
Slika 1.31. Upravljački ili merni algoritam koji vodi rešenju problema
- Sledeći korak zahteva definisanje sklopovskih delova on-line sistema. To će
uglavnom biti oni delovi koji su već prikazani na prethodnim slikama. To ne znači
da će biti upotrebljeni svi sklopovi navedeni na slikama, neki će možda biti ispušteni
a drugi dodati, ali će sklopovska konfiguracija biti uglavnom slična onoj prikazanoj
na slikama. Sistemi se malo razlikuju po sklopovskim rešenjima, a puno više po
algoritmima koje oni realizuju.
- Sledeći korak je implementacija upravljačkog ili mernog algoritma u
računarski sistem. Kada se taj algoritam unese u računar, onda računar "zna" sve
34
šta treba učiniti, da bi se na odgovarajući način merio ili upravljao proces. Za
implementaciju algoritma u računar, odnosno prilagođenje računarskog sistema za
rešavanje konkretnog problema upotrebljava se neki programski jezik.
Programiranjem u odabranom programskom jeziku računar se osposobljava za
realizaciju ranije postavljenog upravljačkog ili mernog algoritma.
- Poslednji korak je puštanje u pogon celokupnog sistema uz učestvovanje svih
onih koji su sudelovali u njegovoj realizaciji. To je verovatno najdelikatnija faza
izgradnje sistema, jer treba uskladiti sve njegove komponente u jedinstvenu celinu.
Jedan od osnovnih problema pri tome jeste da se omogući komunikacija, odnosno
razumljiv razgovor između stručnjaka iz vrlo različitih područja koji misle na
različite načine i govore različitim "jezicima". Zbog toga su "interfejsi" između
struka i stručnjaka za različita područja ključna stvar. Zadatak konstruktora sistema
je da uskladi sve te komponente i dovede ih do toga da sistem proradi. Osim
konstruktora, kao stručnjaka za sistem, u svemu tome sudeluju i stručnjaci za
pojedina uža područja, koji ih bolje poznaju. Ta područja ulaze kao komponente u
sistem kao celinu. To su stručnjaci za sam proces, koji su realizovali merno-
upravljački algoritam, zatim programeri koji implementiraju algoritam u računarski
program, elektroničari za različite analogne i digitalne sklopove, za izvršne organe,
senzore, za prenos podataka na daljinu itd. Sve te komponente ne moraju, ali mogu
biti zastupljene, a to zavisi od karaktera sistema. Konstruktor sistema mora koristiti
već gotova rešenja i uopšte se oslanjati na rad drugih ljudi i drugih stručnjaka i
nipošto ne sme nastojati sve napraviti sam, jer će dobiti amaterska rešenja. Svakako,
sve ovo dolazi do izražaja ako je sistem veći i složeniji. Jednostavne i male sisteme
mogu napraviti i pojedinci. Problem komuniciranja i povezivanja rada iz mnogih
područja i između više ljudi tada ne postoji. Sistem mora biti tako jednostavan da ga
pojedinac uz razumne napore može uspešno dovesti do kraja.
35
2. PODELA SISTEMA AUTOMATSKE REGULACIJE
2.1 Podela sistema automatske regulacije s obzirom na linearnost
jednačina koje opisuju njihov dinamički režim rada
S obzirom na linearnost jednačina koje opisuju njihov dinamički režim rada, SAR se
dele na:
1. linearne sisteme i
2. nelinearne sisteme.
1. Linearni sistemi, njihov dinamički režim rada se opisuje pomoću linearnih
diferencijalnih jednačina opšteg oblika, kod njih svi elementi imaju linearne statičke
karakteristike.
(2.1)
2. Nelinearni sistemi, njihov dinamički režim rada se opisuje nelinearnim
diferencijalnim jednačinama, kod njih bar jedan element sistema ima nelinearnu statičku
karakteristiku. Složeni su, pa se pretvaraju u linearne i onda se analiziraju kao linearni (uz
zanemarivu grešku).
Zbog jednostavnosti proračuna i u potpunosti razrađenih teorija, gde god je moguće,
neophodno je primeniti linearne sisteme, mada i nelinearni sistemi imaju svojih prednosti, pa se
kvalitet regulacije poboljšava kombinacijom linearnih i nelinearnih sistema.
Linearizacija: linearna zavisnost u ograničenom području rada, aproksimacija
raspodeljenih parametara u jednoj diskretnoj tački, dovoljno spore promene parametara –
konstanti u nekom vremenskom razmaku.
Posebna vrsta nelinearnih sistema su relejni sistemi. To su sistemi koji u svom sastavu
imaju bar jedan element sa relejnom statičkom karakteristikom. Relejna statička karakteristika
znači da se izlazna veličina skokovito menja pri određenoj vrednosti ulazne veličine.
Slika 2.1. Relejna statička karakteristika
2.2 Podela sistema automatske regulacije s obzirom na
kontinualnost i način prenosa promenjivih veličina
(informacija) između elemenata
S obzirom na kontinualnost i način prenosa promenjivih veličina (informacija) između
elemenata, SAR se dele na:
1. kontinualne sisteme
2. diskretne sisteme (impulsne, digitalne i relejne) i
36
3. hibridne sisteme.
1. Kontinualni sistemi, sadrže samo kontinualne elemente (ulazne i izlazne veličine su
kontinualne), kod njih su sve promenjive neprekidne funkcije vremena slika 2.2.
Slika 2.2. Karakteristike kontinualnih sistema
2. Diskretni sistemi, sadrže bar jedan diskretni element, ulazna veličina je kontinualna
ili diskretna, a izlazna veličina je diskretna. Kod njih se bar u jednom elementu, prenos
informacija odvija u diskretnim intervalima vremena. Takvi su po svojoj prirodi npr.
telekomunikacioni, saobraćajni, računarski i proizvodni sistemi.
Diskretni sistemi mogu biti:
- impulsni sistemi
- digitalni sistemi
- relejni sistemi
Impulsni sistemi (diskretizacija po vremenu), sadrže bar jedan element koji pretvara
neprekidan ulazni signal u niz impulsa na izlazu, slika 2.3.
Slika 2.3. Karakteristike impulsnih sistema
Digitalni sistemi (diskretizacija po amplitudi i vremenu), sadrže digitalni računar, koji
na svom izlazu daju rezultat računanja u pojedinim trenucima vremena. Zbog velikih
mogućnosti ovi sistemi se sve više koriste.
Pogodnosti: velika tačnost, mala osetljivost na smetnje, upravljanje nizom objekata,
moguće je ostvariti složene algoritme upravljanja (npr. adaptivno i optimalno upravljanje)
3. Hibridni sistemi su sistemi s kontinualnim i diskretnim elementima na čiji rad utiču i
diskretni događaji. Veliki broj realnih industrijskih sistema upravljanja je upravo takav.
37
3. KARAKTERISTIKE ELEMENATA SISTEMA AUTOMATSKE
REGULACIJE
S obzirom na zavisnost ulaznih x(t) i izlaznih veličina y(t) od vremena t, elementi
sistema automatske regulacije mogu biti:
- u stacionaranom (ustaljenom) režimu rada, kada se vrednosti ulaznih i izlaznih
veličina ne menjaju tokom vremena.
- u dinamičkom (nestacionarnom) režimu rada, kada se vrednosti ulaznih x(t) i
izlaznih veličina y(t) menjaju tokom vremena, tj. kada je: х(t)=f1(t) i y(t)=f2(t).
Karakteristike elemenata SAR predstavljaju zavisnost izlazne od ulazne veličine:
y=f(x) (3.1)
Karakteristike elemenata SAR mogu biti:
- statičke i
- dinamičke.
3.1.1 Statičke karaktertistike elemenata SAR
Statičke karakteristike elemenata SAR predstavljaju zavisnost izlazne od ulazne
veličine u stacionarnom (ustaljenom) režimu rada, odnosno kada se ulazna i izlazna veličina ne
menjaju tokom vremena:
y=f(x) (3.2)
Statičke karakteristike elemenata SAR mogu biti linearne i nelinearne.
Linearne statičke karakteristike elemenata SAR imaju oblik prave linije (linija 2 na
slici 2), kod njih je izlazna veličina direktno proporcionalna ulaznoj veličini:
y(t)=k·x(t) (3.3)
gde je:
k - koeficijent prenosa ili pojačanje
Nelinearne statičke karakteristike elemenata SAR imaju oblik krive linije (linija 1 na
slici 3.1), kod njih je izlazna veličina direktno proporcionalna ulaznoj veličini:
y(t)=k·x(t) + ε (3.4)
Slika 3.1. Linearna (linija 1) i nelinearna (linija 2) statička karakteristika elemenata SAR
38
Idealna statička karakteristika elemenata SAR je linearna, tj. ima oblik prave linije,
odnosno izlazna veličina y je direktno proporcionalna ulaznoj x (merenoj fizičkoj veličini):
y(t)=k·x(t) (3.5)
gde je:
k - koeficijent prenosa ili pojačanje
Međutim, stvarna (realna) statička karakteristika je nelinearna, tj. ima oblik krive linije:
ys(t)=k·x(t) + ε (3.6)
gde je:
ε - ukupna greška senzora
Ponašanje elemenata SAR u stacionarnom režimu rada se opisuje pomoću parametara
koji se izvode iz statičkih karaketristika elemenata, kao što su:
- linearnost statičke karakteristike,
- koeficijent prenosa (osetljivost),
- osetljivost na poremećaje (spoljne uticaje),
- histerezis,
- prag osetljivosti (rezolucija),
- mrtva zona,
- tačnost (greška) itd.
4. Linearnost statičke karakteristike, se definiše kao stepen odstupanja stvarne
statičke karakteristike yr od idealne statičke karakteristike yi i izražava se u procentima za
najnepovoljniji slučaj. Linearnost, zapravo, pokazuje koliko je stvarna statička karakteristika
nelinearna.
Slika 3.2. Linearna i nelinearna statička karakteristika elementa, maksimalna nelinearnost
5. Koeficijent prenosa k predstavlja jednu od osnovnih opštih karakteristika elemenata.
Kod elemenata koji imaju linearnu statičku karakteristiku koeficijent prenosa se naziva
koeficijent statičkog prenosa i predstavlja odnos između izlazne veličine y i ulazne veličine x,
odnosno predstavlja tangens ugla α koji statička karakteristika zaklapa sa x-osom:
tgx
yk (3.7)
39
Slika 3.3. Koeficijent statičkog prenosa
Kod elemenata koji imaju nelinearnu statičku karakteristiku koeficijent prenosa se
naziva koeficijent dinamičkog prenosa i predstavlja odnos priraštaja izlazne veličine (Δy, dy) i
prirašataja ulazne veličine (Δx, dx):
x
y
dx
dyk
(3.8)
6. Osetljivost na poremećaje (spoljne uticaje) određuje uticaj spoljnih faktora, pre
svega temperature, napona napajanja, na statičku karakteristiku senzora. Ovi uticaji najčešće se
izražavaju kao drift nule i drift osetljivosti.
7. Histerezis je pojava nepodudaranja statičke karakteristike y1(x) dobijene za rastuću
sekvencu ulaznih vrednosti i statičke karakteristike y2(x) dobijene za opadajuću sekvencu
ulaznih vrednosti.
8. Prag osetljivosti (rezolucija) predstavlja najmanju promenu ulazne veličine x(t) koja
je potrebna da izazove promenu izlazne veličine y(t). Rezolucija merenja se može definisati kao
najmanji iznos fizičke veličine koju je moguće meriti. Najčešće se izražava u procentima punog
opsega, mada se ponekad izražava i kao apsolutna vrednost.
9. Mrtva zona je deo mernog područja između dve vrednosti ulazne veličine kada nema
nikakve promene izlazne veličine.
Slika 3.4. Mrtva zona
40
10. Tačnost predstavlja sposobnost senzora da u referentnim radnim uslovima daje
pokazivanja bliska stvarnoj vrednosti merene veličine. Tačnost u potpunosti odražava svojstva
senzora u pogledu grešaka merenja.
Greška predstavlja promenu izlazne veličine y(t), koja nastaje usled promena
unutrašnjih osobina elemenata ili usled promene spoljnih uslova. Pri pojavi greške menja se
statička karakteristika elementa.
3.2 Dinamičke karakteristike elemenata SAR
Dinamičke karakteristike elemenata SAR predstavljaju zavisnost izlazne od ulazne
veličine u dinamičkom (nestacionarnom) režimu rada, odnosno kada se ulazna i izlazna veličina
menjaju tokom vremena:
y=f(x) (3.9)
Pored statičkih karakteristika, veoma su važne i dinamičke karakteristike elemenata, jer
se elementi u sistemima automatske regulacije upotrebljavaju za merenje veličina koje se
menjaju s vremenom.
Dinamičke karakteristike elemenata se opisuju u:
- vremenskom i
- frekvencijskom području.
3.3 Opisivanje dinamičkih karakteristika elemenata u
vremenskom području
Dinamičke karakteristike (dinamičko ponašanje) elemenata u vremenskom području se
opisuju:
- pomoću linearnih i nelinearnih diferencijalnih jednačina n-tog reda, pri čemu se teži
da se nelinearne diferencijalne jednačine svedu na linearne.
- pomoću prelazne funkcije koja predstavlja vremenski odziv izmerene veličine y na
skokovitu promenu merene fizičke veličine x, slika .
1. Opisivanje dinamičkih karakteristika elemenata u vremenskom području
pomoću linearnih i nelinearnih diferencijalnih jednačina n-tog reda
Dinamičke karakteristike (dinamički odziv) elemenata se mogu opisati i pomoću
linearnih i nelinearnih diferencijalnih jednačina, u zavisnosti od toga o kakvom elementu se
radi. Međutim, pošto je rešavanje nelinearnih diferencijalnih jednačina mnogo teže nego
rešavanje linearnih diferencijalnih jednačina, nastoji se gde god je to dozvoljeno i moguće, da
se nelinearne diferencijalne jednačine svedu na linearne. Teorija i praktične metode za
ispitivanje i analizu elemenata najpotpunije su razrađene za linearne sisteme (elemente).
2. Opisivanje dinamičkih karakteristika elemenata u vremenskom području
pomoću prelazne funkcije
Dinamičke karakteristike (dinamički odziv) elemenata opisuju ponašanje izlazne
veličine y u vremenu nakon što se ulazna veličina x promeni na način neke tipične funkcije,
odnosno opisuju ponašanje senzora nakon što se merena veličina promeni pa do trenutka kada
se na izlazu ponovo uspostavi stacionarno stanje.
Snimanje dinamičkih karakteristika elemenata se vrši tako što se na ulaz dovode
standardne vremenski promenjive veličine i snimaju izlazne veličine.
41
Za dobijanje odziva, koriste se standardne testne funkcije:
- jedinična odskočna funkcija, slika 3.5.
- Dirakova funkcija,
- trougaona
- parabolična funkcija
- eksponencijalna,
- sinusna funkcija x(t)=Asin ωt
U praksi se najčešće koristi skokovita funkcija, jer se ona najlakše realizuje.
Slika 3.5. Odskočna funkcija
Prelazni proces predstavlja takvo stanje elementa u kome on prelazi iz jednog
stacionarnog stanja u drugo. Prelazni proces može biti:
- aperiodičnog (2) ili
- prigušeno-oscilatornog karaktera (3), slika 3.6.
Slika 3.6. Prelazni proces: 2 - aperiodičnog i 3 - prigušeno-oscilatornog karaktera
Ako je prelazni proces aperiodičnog karaktera, izlazna veličina ima oblik:
)1()( 0T
t
eyty
(3.10)
х
42
gde je:
T - vremenska konstanta
Što je veća vremenska konstanta, to je sporiji proces uspostavljanja nove stacionarne
vrednosti izlazne veličine. Za završetak prelaznog procesa uzima se onaj trenutak kada razlika
Δy nove ustaljene vrednosti i tekuće vrednosti izlazne veličine ne prelazi od 1-2% do 5-10%.
Ova razlika zavisi od dinamičkih osobina elementa.
3.4 Opisivanje dinamičkih karakteristika senzora u
frekvencijskom području
Dinamičke karakteristike senzora u frekvencijskom području se opisuju pomoću:
- prenosne funkcije (početni uslovi = 0), koja predstavlja odnos Laplasove
transformacije izlazne i Laplasove transformacije ulazne veličine senzora za nulte
početne uslove.
(3.11)
- amplitudne i fazne frekvencijske funkcije (karakteristike), koje opisuju
zavisnost amplitude i faze sinusne prenosne funkcije od frekvencije ulaznog
harmonijskog signala. Sinusna prenosna funkcija se dobija iz prenosne funkcije
G(jω) zamenom operatora G(s) sa operatorom jω.
3.5 Opisivanje ponašanja elemenata sistema automatske regulacije
Opisivanje ponašanja elemenata SAU se može vršiti:
- eksperimentalno i
- matematički (analitički, teorijski).
1. Eksperimentalno opisivanje ponašanja elemenata sistema automatske regulacije
Eksperimentalno opisivanje ponašanja elemenata sistema automatske regulacije se
sastoji u izvođenju eksperimenata i merenju izlaznih i ulaznih veličina u stacionarnom i
dinamičkom (prelaznom) stanju elementa i crtanju dijagrama koji pokazuju zavisnosti izlaznih
od ulaznih veličina.
2. Matematičko opisivanje ponašanja elemenata sistema automatske regulacije
Matematičko (analitičko, teorijsko) opisivanje ponašanja elemenata sistema automatske
regulacije se sastoji u formiranju matematičkog modela koji opisuje ponašanja elemenata
sistema automatske regulacije.
Formiranje matematičkog modela predstavlja složen posao. Kao prvo treba odrediti
strukturu i parametre matematičkog modela, nakon toga treba izvršiti njegovu verifikaciju
(proveru).
Matematički model se formira postavljanjem odgovarajućih matematičkih
(diferencijalnih, algebarskih ili logičkih) jednačina za stacionarno (ustaljeno) i dinamičko
(prelazno) stanje elementa. Prilikom postavljanja matematičkih jednačina koriste se zakoni
fizike (kao što su: zakon o održanju mase i energije, impulsu kretanja, Bernulijeva jednačina,
itd.). Za električne sisteme od posebnog značaja su: Kirhofovi zakoni, Omov zakon, zakon
elektromagnetne indukcije, Maksvelove jednačine itd.
43
Prilikom formiranja matematičkog modela elemenata sistema zanemaruje se niz pojava,
koje ne utiču bitno na pojave u čitavom sistemu. Kod interpretacije rezultata analize i sinteze
potrebno je voditi računa o pretpostavkama i zanemarenjima, uz koje je formiran matematički
model pojedinih elemenata sistema, jer samo uz te uslove vrede dobijeni rezultati.
Matematički model uključuje samo neke karakteristike elementa, ali ne sve.
Matematički model nikada potpuno ne preslikava stvarni element, već je uvek u nekoj meri
pojednostavljen. Koliko će model biti pojednostavljen (odnosno koliko će biti složen) zavisi od
njegove namene.
Kako model predstavlja pojednostavljenje realnosti, nalaženje prave mere
pojednostavljivanja realnosti često nije jednostavan zadatak, i tu u punoj meri do izražaja dolazi
inženjerska veština i intuicija (znanje stečeno iskustvom). Model s jedne strane treba da
dovoljno verno opisuje element radi dobrog razumevanja, optimizacije i/ili vođenja. S druge
strane model treba da bude što jednostavniji radi efikasnije analize ponašanja, lakšeg uvida u
karakteristike sistema, te mogućnosti primene što jednostavnijih algoritama vođenja. Uz to
jednostavniji modeli se po pravilu mogu brže simulirati na računaru.
Matematički modeli se koriste još od vremena kada su razvijene diferencijalne
jednačine. Međutim, njihov značaj dolazi do punog izražaja tek sa razvojem računara na kojima
se mogu vršiti simulacije ponašanja elemenata.
Matematički modeli se koriste prilikom:
- analize i sinteze sistema automatske regulacije i
- simulacije sistema automatske regulacije na računaru, koja omogućava
"eksperimentisanje" na matematičkom modelu umesto na realnom sistemu što je
posebno važno u fazi projektovanja SAR.
Analiza nekog sistema, te projektovanje i razvoj njegovog vođenja danas se ne mogu
zamisliti bez simulacije ponašanja elemenata na računaru. Simulacijom ponašanja elemenata na
računaru mogu se istraživati ne samo prelazne pojave nego i uticaji pojedinih parametara
elemenata na te pojave. Na taj način moguće je odabrati element s takvim karakteristikama
koje, zajedno s karakteristikama ostalih elemenata sistema, daju optimalno ponašanje čitavog
sistema.
Povezivanjem modela elemenata s realnim elementima sistema omogućeno je
istraživanje i podešavanje tih elemenata u uslovima rada, koji su veoma bliski realnim. Takođe,
mogu se simulirati i istraživati ponašanja sistema u raznim normalnim i nenormalnim režimima
koja mogu nastati u pogonu. Takav način eksperimentisanja je u pravilu jednostavniji, brži i
jeftiniji nego eksperimentisanje na realnom sistemu.
44
4. SENZORI
4.1 Osnovni pojmovi o senzorima
Merenje neelektričnih veličina kao što su pomeraj, temperatura, sila, pritisak, vibracije,
protok fluida i drugih, ima veliki značaj u nauci i tehnici, a naročito u industriji. Za merenje
neelektričnih veličina najčešće se koriste električne metode i elektronski instrumenti koje
karakterišu: visoka tačnost, brzo i jednostavno očitavanje mernih rezultata i relativno mali uticaj
spoljašnjih ometajućih faktora na rad instrumenta. Da bi se mogle koristiti električne metode i
elektronski instrumenti za merenje neelektričnih veličina potrebno je izvršiti pretvaranje
neelektričnih veličina u električne signale što se ostvaruje pomoću uređaja koji se nazivaju
senzori. U stručnoj literaturi postoje različita tumačenja pojma senzor tako se za jedan isti
uređaj mogu naći različiti nazivi, kao što su: senzor, merni pretvarač, merni član, davač, osetilo,
transmiter, transdjuser itd. Iako se često koriste kao sinonimi ovi pojmovi ipak imaju različito
značenje.
Senzor (engl. sensor) je uređaj koji promenu merene fizičke veličine xF(t) najčešće
neelektrične (temperature, pritiska, pomeraja, vibracija, nivoa tečnosti, protoka fluida, sile,
relativne vlažnosti, dužine, broja obrtaja, brzine, ubrzanja, inteziteta svetlosti itd.) pretvara u
promenu neke druge fizičke veličine x'F(t) najčešće električne (otpornosti, kapacitivnosti,
induktivnosti, naelektrisanja, elektromotorne sile itd.) koja je pogodnija za dalja pretvaranja.
Senzor ostvaruje vezu između realnog sveta (procesa) sa jedne i električnih uređaja sa
druge strane, pretvarajući fizičke fenomene iz realnog sveta (procesa) u električne signale,
odnosno pretvarajući druge oblike energije u električnu energiju.
Zadatak senzora jeste da daju što tačniju informaciju o merenoj fizičkoj veličini. Senzori
ne treba da budu osetljivi na spoljašnje uticaje iz okruženju (temperaturu, vlažnost, vibracije,
elektromagnetno zračenje itd.), niti treba da imaju bilo kakav uticaj na merenu veličinu, što je u
praksi teško ostvariti.
Digitalni senzori su uređaji koji merenu fizičku veličine xF pretvaraju u digitalni signal
xN. Pored toga, pošto sadrže mikroprocesor, oni omogućavaju i značajnu obradu merne
informacije i pre njenog uvođenja u sistem upravljanja. Zbog toga se u literaturi za digitalne
senzore sve češće upotrebljava naziv „inteligentni senzori“. Na taj način se ističe njihova
suštinska razlika od analognih senzora, koji samo mere fizičku veličinu. Između digitalnih i
analognih senzora postoje suštinske razlike u pogledu izrade, karakteristika i primene.
Danas se razvoj senzora odvija u tri osnovna pravca:
- minimizacija i veći stepen integracije sastavnih delova, to je tendencija i u drugim
oblastima tehnike;
- realizacija merenja više veličina, tako da se pomoću jednog senzora istovremeno
može meriti više različitih fizičkih veličina (na primer, senzor temperature i vlažnosti
vazduha);
- proširivanje funkcionalnih mogućnosti senzora zahvaljujući ugradnji mikroprocesora.
Senzori se koriste u:
- automobilskoj industriji (brzina temperatura, ubrzanje, položaj, pritisak itd.)
- industriji
- biomedicini
45
- računarskoj industriji
- u uređajima široke primene
- potrošačkoj robi
4.1.1 Podela senzora prema vrsti izlaznog signala
Prema vrsti izlaznog signala senzori mogu biti:
- analogni, na svom izlazu daju analogni signal i
- digitalni, na svom izlazu daju digitalni signal.
4.1.2 Podela električnih senzora prema tome da li je za njihov rad potreban
spoljni izvor energije
Za rad električnih senzora, odnosno za pretvaranje neelektričnih veličina u električne
potrebna je električna energija, koja se može dobiti iz spoljnjeg izvora energije ili iz procesa
čija se fizička veličina meri. S obzirom na to da li je za rad električnih senzora potreban spoljni
izvor energije, senzori s električnim izlaznim signalom, nogu biti:
- aktivni i
- pasivni senzori.
Pasivni senzori zahtevaju spoljašnji izvor električne energije da bi na svom izlazu mogli
da daju električni signal (napon ili struju). Primeri pasivnih senzora su:
- otpornički senzori, npr. otpornički senzori mehaničkog pomeraja, kod kojih promena
mehaničkog pomeraja uzrokuje pomeranje mehaničkog kontakta što dovodi do
promene električne otpornosti i struje kroz otpornik, a time i izlaznog napona.
- induktivni senzori,
- kapacitivni senzori
- fotoprovodni senzori, kod kojih se povećava električna provodnost zbog upadnog
zračenja,
- generisanje lateralnog napona na pn spoju zbog upadne radijacije,
- piezorezistorski senzori, kod njih se menja otpornost poluprovodnika zbog delovanja
mehaničke sile.
Aktivni senzori ne zahtevaju spoljašnji izvor električne energije da bi na svom izlazu
mogli da daju električni signal (struju, napon, naelektrisanje), jer ulaznu mehaničku, svetlosnu
ili hemijsku energiju pretvaraju u električnu energije. Primeri aktivnih senzora su:
- termopar, koji toplotnu (termičku) energiju pretvara u električnu (napon) bez
upotrebe spoljnjeg izvora energije.
- elektromagnetni senzori, koji linearnu ili ugaonu brzinu pretvaraju u električni
napon,
- fotonaponski element, koji svetlost pretvara u električni napon,
4.1.3 Podela senzora prema principu rada
Merenje neelektričnih veličina počinje pretvaranjem tih veličina u druge fizičke veličine
(najčešće električne) što se ostvaruje u uređajima koji se nazivaju senzori. Princip rada senzora
46
se zasniva na fizičkim pojavama (efektima) koji omogućavaju pretvaranje merenih fizičkih
veličina (najčešće neelektričnih) u druge fizičke veličine (najčešće električne veličine) koje su
pogodnije za dalja pretvaranja i obradu.
Prema principu rada senzori se dele na:
- otporničke,
- kapacitivne,
- induktivne,
- elektromagnetne,
- pijezoelektrične,
- piroelektrične,
- fotonaponske,
- mehaničke,
- optičke,
- toplotne,
- hidraulične,
- pneumatske itd.
4.1.4 Podela senzora prema tome koju fizičku veličinu mere
S obzirom na to koju fizičku veličinu mere postoje:
- senzori pomeraja (linearnog i ugaonog),
- senzori (linearne ili ugaone) brzine,
- senzore sile,
- senzore momenta,
- senzori pritiska,
- senzori protoka,
- senzori pomeraja,
- senzori temperature,
- senzori napona,
- senzori struje,
- senzori učestanosti,
- senzori električne snage itd.
4.2 Karakteristike senzora
Da bi se senzori mogli opisati i analizirati definisane su neke od značajnih karakteristika
senzora, kao što su: merno područje, merni opseg, merni signal, linearnost statičke
karakteristike, jednoznačnost (histerezis) i stabilnost statičke karakteristike, prag osetljivosti,
ponovljivost, uticaj okoline, visoka osetljivost itd.
47
1. Merno područje, predstavlja raspon između najmanje i najveće vrednosti fizičke
veličine koju senzor može meriti. Posebno se definiše ulazno i izlazno merno područje. Na
primer ulazno merno područje senzora pritiska je od 0 do 10 bara, a izlazno je od 4 do 20 mA.
Ulazno merno područje termopara je od –100 do 200oC, a izlazno je od 0-10 mV.
2. Merni opseg, predstavlja algebarsku razliku između najveće i najmanje vrednosti
ulaznog i izlaznog mernog područja. Na primer za termopar s ulaznim mernim područjem od –
100 do 200 oC, a izlaznim od 0 do 10 mV, ulazni merni opseg je 300
oC, a izlazni 10 mV.
3. Merni signal, predstavlja signal na izlazu iz senzora koji može biti analogan i
digitalan. U novije vreme sve više se koriste digitalni senzori sa diskretnim mernim signalom,
koji vrednost merne veličine daju numerički. Područja mernih signala definisana su
standardima.
4. Linearnost statičke karakteristike, se definiše kao stepen odstupanja stvarne
statičke karakteristike ys od idealne statičke karakteristike yi i izražava se u procentima za
najnepovoljniji slučaj. Linearnost, zapravo, pokazuje koliko je stvarna statička karakteristika
nelinearna.
Idealna statička karakteristika elemenata SAR je linearna, tj. ima oblik prave linije,
odnosno izlazna veličina y je direktno proporcionalna ulaznoj x (merenoj fizičkoj veličini):
yi(t)=k·x(t) (4.1)
gde je:
k - koeficijent prenosa ili pojačanje
Međutim, stvarna (realna) statička karakteristika je nelinearna, tj. ima oblik krive linije:
ys(t)=k·x(t) + ε (4.2)
gde je:
ε - ukupna greška senzora
Stvarna statička karakterisitka senzora se određuje eksperimentom, a sam postupak
određivanja stvarne statičke karakteristike senzora se naziva baždarenje. Stvarna statička
karakteristika se određuje (dobija) eksperimentalno tako da se zada vrednost ulazne veličine,
sačeka da se smire sve prelazne pojave i onda očita vrednost izlaza. Postupak se ponavlja tako
što se zadaju nove vrednosti ulaza po rastućoj ili opadajućoj sekvenci. Obično se statička
karakteristika crta odmah, na osnovu iskustva, tako da optimalno prolazi između očitanih
vrednosti. U principu, optimalni pravac određuje se na osnovu rezultata analitičkog postupka –
metoda linearne regresije.
Iz satičkih karakteristika senzora dobijenih baždarenjem mogu se odrediti i drugi
parametri.
4. Osetljivost (koeficijent prenosa), kod elemenata koji imaju nelinearnu statičku
karakteristiku koeficijent prenosa se naziva koeficijent dinamičkog prenosa i predstavlja odnos
priraštaja izlazne veličine (Δy, dy) i prirašataja ulazne veličine (Δx, dx):
x
yS
(4.3)
Kod elemenata koji imaju linearnu statičku karakteristiku koeficijent prenosa se naziva
koeficijent statičkog prenosa i predstavlja odnos između izlazne veličine y i ulazne veličine x,
odnosno predstavlja tangens ugla α koji statička karakteristika zaklapa sa x-osom:
48
tgx
yS (4.4)
S obzirom da je statička karakteristika senzora linearna, osetljivost senzora je
konstantna na celom opsegu.
Kao što se vidi iz jednačine osetljivost senzora zavisi od nagiba (strmine) statičke
karakteristike. Senzor je osetljiviji što je nagib (strmina) statičke karakteristike veća, odnosno
što je veća promena izlazne veličine za odgovarajuću promenu ulazne veličine. Na primer, ako
pritisak od 5 bar daje na izlazu iz senzora strujni signal 10 mA, tada je osetljivost 2 mA/ba.
4.3 Senzori temperature
Temperatura je fizička veličina koja predstavlja stepen zagrejanosti nekog tela. U praksi
se koriste Farenhajtova, Reomirova, Termodinamička (Kelvinova) i Celzijusova temperaturna
skala. Veza između temperature izražene u kelvinima K i temperature izražene u stepenima
Celzijusa oC je data relacijom:
T = 273,15 + t K (4.5)
Odavde je:
t = T - 273,15 oC (4.6)
gde je:
t - temperatura izražena u stepenima Celzijusa oC
T - temperatura izražena u kelvinima K
Senzori temperature pretvaraju toplotnu energiju u neki drugi oblik energije, kojom se
može iskazati stepen zagrejanosti nekog tela. Postoji mnogo senzora temperature pomoću kojih
se može ostvariti merenje temperature i njeno pretvaranja u električni signal, bilo pomoću
kontakata, bilo promenom otpornosti ili stvaranjem elektromotorne sile.
U senzore temperature spadaju:
- živini termometri,
- bimetalni senzori temperature,
- termoparovi,
- otpornički senzori temperature od metala,
- otpornički senzori temperature od poluprovodnika (termistori),
- optički pirometri,
- termografske kamere itd.
Senzori temperature mogu biti:
- kontaktni (živini termometri, bimetalni senzori temperature, termoparovi,
otpornički senzori temperature od metala, otpornički senzori temperature od
poluprovodnika (termistori) i sl.), rade na principu toplotne ravnoteže između njih i
objekta čija se temperatura želi meriti, zbog čega je za tačno merenje temperature
neophodno ostvariti njihov dobar kontakt sa objektom ili sredinom, čija se
temperatura meri.
- beskontaktni (optički pirometri, termografske kamere, radijacioni pirometari,
termometarski pištolji itd.), rade na principu merenja energije toplotnog zračenja,
49
koja se emituje sa posmatranog objekta. Njihova primena ne zahteva prekid niti
ometanje normalnog rada postrojenja ili sistema. Pogodni su za ocenu tehničkog
stanja nekog sistema, naročito termografske kamere koje daju sliku raspodele
temperaturnog polja.
- indikatorski (boje, temperaturne krede, papir i sl.), rade na principu topljenja
materijala ili promene boje pri određenim temperaturama.
4.3.1 Živini termometri
Živini termometri, slika 4.1., rade na principu širenja žive kada se zagreva i skupljanja
kada se hladi. Zavisnost zapremine žive od temperature data je relacijom:
Vt = V0(1 + αt) (4.7)
gde je:
V0 – zapremina žive na temperaturi 0oC
Vt – zapremina žive na merenoj temperaturi t
α – temperaturni koeficijent širenja žive
Slika 4.1. Živin termometar
Zapreminski koeficijent širenja žive je 0,00018 1/oC. Donja granica mernog opsega
određena je tačkom mržnjenja (-38,8oC), a gornja tačkom ključanja žive (357
oC). Pored žive,
upotrebljava se još i toluol, etil-alkohol, pentan itd. Merni opseg je tada znatno manji (kreće se
od 150oC do 300
oC), ali je u principu donja granica mernog područja niža, na primer, kod
pentana čak -200 oC.
4.3.2 Bimetalni senzori temperature
Bimetalni senzori rade na principu izduženja (povećanja dimenzija) čvrstog tela sa
porastom temperature. U određenom temperaturnom intervalu zavisnost dužine tela od
temperature približno je linearna:
lt = l0(1+αt) (4.8)
gde je:
l0 - dužina na temperaturi 0oC
lt - dužina na merenoj temperaturi t
50
α – temperaturni koeficijent izduženja (linearnog širenja - diletacije) tvrdog tela
Bimetalni senzori se prave u obliku trake, spirale ili helikoide od dva sloja različitih
metala, na primer invar-mesing, invar-čelik itd, slika 4.2. Zbog različitih koeficijenata izduženja
(linearnog širenja) pri porastu temperature bimetalna traka se savija na stranu metala sa manjim
koeficijentom izduženja (linearnog širenja).
Slika 4.2. Bimetalni senzor temperature
Bimetalni senzori temperature se obično prave od bakra (α=15,3⋅10-6
1/o
C), mesinga
(α=18,3⋅10-6
− 23,6⋅10-6
1/oC), legure železa (64%) i nikla (36%) – invara (α=0,9⋅10
-6 1/
oC) itd.
Merna područja senzora od navedenih metala su: 0-150 oC, 0- 400
oC, odnosno, 0-200
oC,
rezolucija im je do 0,1 oC, a tipična tačnost u mernom opsegu ± 1,5-25%.
4.3.3 Termoparovi
Termopar se sastoji od dva provodnika od različitih materijala, slika 4.3.
Slika 4.3. Termopar
Ako se krajevi dva provodnika od različitih materijala spoje u jednu tačku, i ta tačka se
podvrgne temperaturi T2 napon na slobodnim krajevima termopara koji nastaje kao rezultat
temperaturne razlike toplog i hladnog kraja, naziva se termoelektrični napon UAB:
UAB = α(T2 - T1) (4.9)
gde je:
51
UAB - Zebekov napon
α[µV/K] - Zebekova konstanta, koja zavisi od karakteristika dva provodnika
Efekat pojave termoelektričnog napona poznat je pod nazivom Zebekov termoelektrični
efekat.
Zebekov efekat, je pojava generisanja elektromotorne sile u kolu sa dva metala, pri
čemu su temperature spojeva različite.
Termoparovi rade na principu zavisnosti termoelektromotorne sile termopara od razlike
temperatura toplog i hladnog kraja termopara.
Termoparovi služe za merenje temperatura od -200oC do +1600
oC.
Termoelementi obezbeđuju lokalnu indukciju (termometri) ili kontrolišu određenu
funkciju temperature (termostati), a glavni uslov je da se ostvari dobar termički kontakt, bilo da
se merni pretvarač utisne u površinu ili uroni u fluid.
Svi termoelementi prave se na isti način: dve žice od termoelektričnog materijala spoje
se na toplom kraju i zaštite keramičkim izolacionim materijalom i metalnim oklopom (slika
4.4).
Slika 4.4. Izgled standardnog industrijskog termopara
4.3.4 Otpornički senzori temperature od metala
Otpornički senzori temperature od metala rade na principu porasta električnog otpora
metalnih otpornika sa porastom temperature. Mere temperature od -268oC do 1064
oC. Senzori
temperature koji rade na ovom principu često se označavaju akronimom RTD (Resistance
Temperature Detector). Otpornički senzori od metala prave se u obliku kalema, po pravilu sa
bifilarnim navojima, slika 4.5 i slika 4.6.
Slika 4.5. Žičana spirala
52
Slika 4.6. Izgled otporničkog senzora temperature od metala
Zavisnost otpornosti metalnog otpornika od temperature data je relacijom:
Rt = R0(1+αt) (4.10)
gde je:
R0 - otpor na temperaturi t=0oC
Rt - otpor na merenoj temperaturi t
α - temperaturni koeficijent otpora
Statičke karakteristike senzora temperature od platine, bakra i nikla prikazane su na slici
4.7:
Slika 4.7. Statičke karakteristike mernih pretvarača temperature od platine, bakra i nikla
Otpornički senzor temperature od platine, slika 4.8., se koristi za merenje temperature u
opsegu od −260oC do 650
oC (maksimalno do 1500
oC) sa tačnošću od ±0,2%. Platina je najbolji
materijal za izradu otporničkih senzora temperature od metala, jer se može dobiti sa čistoćom
do 99,999%, hemijski je neutralna, ima linearni temperaturni koeficijent otpora (α=0,00392
1/oC).
Slika 4.8. Konstrukcija otporničkog senzora temperature od platine
53
4.3.5 Otpornički senzori temperature od poluprovodnika (termistori)
Termistori rade na principu promene otpornosti poluprovodnika sa promenom
temperature. Koriste se za merenje temperature od -100oC do +180
oC.
Termistor je temperaturno osetljivi otpornik, koji se pravi od čistog germanijuma,
oksida metala hroma, kobalta, željeza, nikla i drugih. Promena otpora sa promenom temperature
izrazito je nelinearna i u širem temperaturnom opsegu (od -50oC do 100
oC) može se opisati
jednačinom:
(4.11)
gde je:
T - temperatura u K
A, b i B - konstante zavise od vrste materijala i konstrukcije termistora
Za termistore je promena otpora u istom temperaturnom intervalu čak 10–70 puta veća
od njihove nominalne vrednosti (slika 4.9).
Slika 4.9. Statičke karakteristike termistora
Osetljivost termistora označava se kao temperaturni koeficijent otpornosti α.
(4.12)
Kod većine termistora otpornost opada sa porastom temperature, što znači da je njihov
temperaturni koeficijent otpornosti negativan. Takvi termistori se nazivaju NTC-termistori
(Negative Temperature Coefficient). Međutim, kod nekih termistora temperaturni koeficijent
otpornosti može biti pozitivan. Takvi termistori se nazivaju PTC-termistori (Positive
Temperature Coefficient).
Na strmom delu karakteristike osetljivost je izrazito velika, što je dobro za uključivanje
ili isključivanje u odnosu na kritičnu temperaturu. Termistori najčešće imaju oblik diska,
prstena ili cilindra (slika 4.10).
54
Slika 5.10. Izgled termistora
4.3.6 Optički pirometri
Optički pirometri rade na principu da svako telo na temperaturi iznad apsolutne nule
zrači toplotnu energiju koja je srazmerna ukupnoj temperaturi tog tela i koja se može izborom
odgovarajućeg detektora precizno izmeriti i pretvoriti u informaciju o temperaturi, slika 4.11.
Optički pirometar koristi fenomen da se nevidljivo zračenje na temperaturama iznad 500°C
pretvara u vidljive učestalosti.
Slika 4.11. Optički pirometar
U slučajevima gde je nemoguće obezbediti direktan kontakt sa objektom čija se
temperatura meri, bilo zbog toga što se on kreće ili zato što je pod visokim naponom ili je iz
drugih razloga nepristupačan, kao i tamo gde je prenos toplote sa kontrolisanog medija na merni
pretvarač (npr. termoelektrični) loš, pirometri su idealano, a često i jedino rešenje.
4.3.7 Termografske kamere
Termografija je metoda beskontaktnog merenja temperature površine objekta,
snimanjem infracrvenog spektra zračenja površine. Svaki objekat sa svoje površine odaje
toplotnu energiju infracrvenim zračenjem čija talasna dužina zavisi od temperature objekta.
Termografska kamera, slika 4.12., je uređaj koji omogućava da se snimi zračenje sa površine
nekog objekta i prikaže u čoveku vidljivom (optičkom) spektru. Jednostavno rečeno,
termografija omogućava da se sazna, te vizuelno prikaže temperatura objekta bez potrebe za
kontaktnim merenjem.
Slika 4.12. Termografska kamera marke FLIR Therma CAM SC640
55
Zahvaljujući okolnosti da se termografske kontrole izvode bez uticaja na rad pogona i
činjenici da se radi o uređajima sa velikom osetljivošću neispravnosti na tehničkim sistemima
se mogu otkriti u ranoj fazi nastanka, čime se stvaraju mogućnosti da se pravovremenim
preduzimanjem odgovarajućih aktivnosti održavanja spreči pojava otkaza. Vrednosti
temperature - njena visina, raspodela ili odstupanje od normalne vrednosti, daju mogućnosti za
ocenu stanja tehničkih sistema, slika 4.13.
Termografija se nezamenljivo potvrdila i našla svoju primenu u svakodnevnoj praksi u:
industriji čelika, cementa i sličnim industrijama, postoje brojni postupci koji su vezani za
stvaranje, očuvanje i distribuciju toplotne energije, a mnogi procesi delovanja rada i kontrole
vezani za temperaturu. Primenjuje se u energetici, građevinarstvu, ali i u zdravstvu, veterini,
razvoju, nauci i drugim oblastima.
Slika 4.13. Fotografska i termografska slika elektromotora, koja omogućava ocenu stanja
elektromotora
4.4 Senzori brzine i ubrzanja
Translatorna brzina se meri u opsegu od 0 do 15.000 m/s.
Ugaona brzina se meri u opsegu od 0 do 20.000 rad/s. Pomoću pogodnog prenosnog
mehanizma translatorna brzina obično se pretvara u ugaonu brzinu. Zato se posebna pažnja
posvećuje senzorima za merenje ugaone brzine. Senzori za merenje ugaone brzine se nazivaju
tahometrima.
4.4.1 Radari sa Doplerovim efektom
Radari sa Doplerovim efektom se zbog malih dimenzija primenjuju se za merenje brzine
vozila u saobraćaju, u beskontaktnom merenju vibracija, u sistemima zaštite od provala, u
automatskom praćenju (brojanju) elemenata na traci, u robotici, u merenju nivoa i u drugim
oblastima. Principijelna struktura radara sastoji se iz stabilnog oscilatora mikrotalasa fiksne
frekvencije u opsegu 1,6-30 GHz (λ=187-10 mm), pojačavača snage i modulatora koji
omogućavaju impulsni rad predajnika, tako da se pomoću antene emituju impulsi trajanja 10-20
µs. Zadatak antenske skretnice je da između emisije dva uzastopna impulsa isključi predajnik, a
uključi prijemnik. Prijemnik radi na bazi stepena za mešanje frekvencije zračenja f i frekvencije
odjeka fp kako bi se dobila kvalitetna selekcija Doplerove frekvencije fD.
Doplerov efekat je pojava da usled kretanja prijemnika ili predajnika dolazi do menjanja
frekvencije talasa, na strani prijemnika. Ako se prijemnik i predajnik kreću jedan ka drugom,
frekvencija se pomera na više (raste), a ako se prijemnik i predajnik kreću jedan od drugog,
frekvencija se pomera na niže (opada).
Doplerov efekat, je pojava promene frekvencije reflektovanog zvuka ili svetlosti sa
objekta koji se kreće u odnosu na izvor zvuka ili svetlosti.
56
Doplerov efekat manifestuje se kod reflektovanih talasa sa pokretnih objekata kao
promena frekvencije u odnosu na frekvenciju emitovanog talasa:
fD = fR - fE (4.13)
gde je:
fD - promena Doplerove frekvencije
Za objekat koji se približava izvoru fD ima pozitivan predznak, a za objekat koji se
udaljava predznak fD je negativan. Stacionarni objekat daje konstantan napon, dok pokretni
objekat daje naizmenični napon proporcionalno svojoj radijalnoj brzini, tj. brzini u smeru
zračenja. Doplerova frekvencija računa se pomoću jednačine:
fD = 2·v·λ = 2·v·f·c (4.14)
gde su:
v [m/s] - radijalna brzina objekta u smeru zračenja
f - frekvencija predajnika i
c - brzina elektromagnetnog zračenja
Radari za merenje brzine vozila u saobraćaju rade na ovom principu (slika 4.14). Kod
ovih radara relativna promena Doplerove frekvencije baždari se u jedinacama brzine [km/h] i to
se pokazuje na ekranu ili se rezultat merenja preko interfejsa vodi na računar:
fD / f = k·v (4.15)
gde koeficijent k = 2·f / c zavisi od radne frekvencije radara.
Slika 4.14. Radarsko merenje brzine vozila u sabraćaju
Prethodne jednačine vrede pod pretpostavkom da je kretanje objekta radijalno prema
primopredajniku ili radijalno od njega. Kada se objekat kreće pod nekim uglom θ u odnosu na
primopredajnik, jednačina za Doplerovu frekvenciju postaje:
fd=2ν(f /c)cosθ (4.16)
4.4.2 Jednosmerni tahogenerator za merenje brzine obrtanja
Senzori brzine obrtanja obrtanje rotora pretvaraju u neku drugu veličinu i način kretanja,
kakav je npr. tahogenerator, koji stvara elektromotornu silu proporcionalnu ugaonoj brzini
rotora. Postoje tahogeneratori jednosmerne i naizmenične struje. Tahogenerator jednosmerne
struje ima oblik malog generatora jednosmerne struje, a na izlazu ovog tahogeneratora, na
57
svakih 1000 o/min, dobija se jednosmerni napon 10-20 V, uz linearnu karakteristiku.
Naizmenični tahogeneratori se izvode kao sinhroni i asinhroni tahogeneratori, na čijim
krajevima dolazi do stvaranja naizmenične elektromotorne sile.
Jednosmerni tahogenerator je generator jednosmerne struje koji stvara elektromotornu
silu proporcionalnu brzini obrtanja rotora. Pobuda tahogeneratora ostvaruje se pomoću stalnih
magneta (slika 4.15 a) ili namotaja sa konstantnom i nezavisnom pobudom (slika 4.15 b).
Slika 4.15. Jednosmerni tahogenerator: a) pobudno kolo sa stalnim magnetom, b) nezavisno
pobudno kolo, c) uticaj opterećenja na statičku karakteristiku, d) izgled tahogeneratora
Jednosmerni tahogenerator je senzor brzine obrtanja analognog tipa. Na stezaljkama
daje jednosmerni napon proporcionalan brzini obrtanja:
Rotorski (armaturni) namotaj preseca magnetno polje i indukuje se elektromotorna sila
E proporcionalna fluksu pobude Φ i brzini obrtanja ω:
E=c·Φ·ω (4.17)
Konstanta proporcionalnosti c odražava konstruktivna svojstva mašine. U realnim
uslovima na izlazu tahogeneratora je priključeno neko opterećenje RL, pa je struja u kolu rotora:
(4.18)
gde je:
Rr - unutrašnji otpor tahogeneratora
Izlazni napon na opterećenju RL proporcionalan je brzini obrtanja, a polaritet mu se
menja s promenom smera obrtanja:
(4.19)
Koeficijent statičkog prenosa k iznosi 3-100 mV/ob/min. Na tačnost linearne
karakteristike najviše utiču opterećenje, prelazni otpor četkica i temperatura. Svakoj vrednosti
otpora opterećenja RL<∞ odgovara određni dijapazon promene brzine ω od 0 do ωg za koji je
izlazni napon linearan. Sa porastom brzine rastu struja rotora i indukcija, ali za ω=ωg struja
rotora poprima takve iznose da indukcija dostiže zasićenje, pa statička karakteristika postaje
nelinearna (slika 4.16). Zbog toga se opterećenje bira tako da struja rotora bude 0,01-0,02 A.
Prelazni otpor četkica utiče na pojavu zone neosetljivosti, jer se pri malim brzinama generiše
elektromotorna sila približno istog reda, kao i pad napona na prelaznom otporu.
58
Slika 4.16. Statička karakteristika
4.5 Senzori pritiska
Pritisak je skalarna veličina koja se u mehanici definiše kao odnos sile i površine na
koju ta sila deluje:
(4.20)
F [N] - sila
S [m2] - površina na koju sila deluje
U praksi se koriste mnogo veće jedinice: kPa, MPa (SI), i one koje ne pripadaju SI 1 bar
= 105 Pa.
U teoriji fluida, pritisak se definiše kao:
p=ρgh (4.21)
ρ [kg/m3] - gustina fluida
g [m/s2] - gravitaciono ubrzanje
h [m] - visina stuba fluida iznad date lokacije
Usko sa pritiskom povezana je i mehanička deformacija, a to je promena oblika i
zapremine tela pod delovanjem spoljne sile. Spoljna sila nastoji da razdvoji ili približi pojedine
čestice tela, čemu se telo suprotstavlja unutrašnjim silama koje postoje između njegovih čestica.
Unutrašnja sila podeljena sa površinom na kojoj deluje predstavlja naprezanje i izražava se u
paskalima. Naprezanje je, dakle, unutrašnji pritisak. Sa porastom vanjske sile rastu naprezanje i
deformacija.
Ustanovljeno je da za sve vrste materijala postoji područje direktne proporcionalnosti
između naprezanja σ i deformacije ε, što je poznato kao Hukov zakon:
σ=E·ε (4.22)
gde je:
E - Jangov modul elastičnosti posmatranog materijala
Kao deformacioni (elastični) elementi u senzorima se najviše primenjuju:
- ravne ploče,
- membrane,
- cevi i
- mehovi.
59
Membrane su pogodne za merenje pritiska od najnižih pa do najviših vrednosti, cevi se
primenjuju za merenje relativnog natpritiska 0-1 bar pa do 10.000 bar, a mehovi za manje
relativne pritiske. Njihovi mnogobrojni oblici, koji se susreću u praksi, nastali su zbog
prilagođavanja opsegu i uslovima merenja pritiska (slika 4.17). Deformacioni (elastični)
elementi prave se od posebnih materijala kao što su berilijeva bronza (legura od bakra, tantala,
titana i specijalnih čelika) i konstantan (legura bakra, nikla i mangana).
Slika 4.17. Tipični deformacioni elementi kod senzora pritiska
Najpoznatiji manometar (instrument za merenje pritiska) ima deformacioni element u
obliku Burdonove cevi. To je posebno profilisana cev, savijena u luk, na jednom kraju
zatvorena, a učvršćena na drugom. Posebnim kinematskim vezama pomeranje slobodnog kraja
prenosi se u ugaoni pomak indikacione kazaljke ili se pomoću senzora pomeraja pretvara u
električni signal. Tačnost statičke karakteristike pritisak-pomeraj vrha Burdonove cevi je ±1-
5%, a u najboljem slučaju do ± 0,6%.
Membrana kao deformacioni element u senzoru pritiska. Za ove namene primenjuju
se kružne membrane učvršćene po celom obodu. Delovanjem pritiska p membrana se deformiše
u kalotu.
4.6 Senzori protoka
Protok predstavlja količinu sipkastog materijala, tečnosti ili gasa koja protekne kroz
posmatrani poprečni presek za jedinicu vremena.
Količina se izražava u jedinicama mase ili zapremine, pa se razlikuje:
60
- maseni protok:
Qm=m/t [(kg/s] (4.23)
- zapreminski protok:
QV=V/t [(m3/s] (4.24)
QV=vS [(m/s)·m2=m
3/s)] (4.25)
Egzaktniji je maseni protok jer opisuje stvarnu količinu materije u kretanju.
Zapreminski protok zavisi od gustine, pritiska i temperature materije, te od lokalne gravitacije.
Protok sipkastog materijala obavezno se izražava kao maseni, a protok tečnosti i gasova
obično kao zapreminski.
Maseni i zapreminski protok povezani su relacijom:
Qm=ρ·QV [(kg/m3)·(m
3/s)=kg/s] (4.26)
Senzori protoka se nazivaju protokometrima.
4.6.1 Senzori za merenje zapreminskog protoka
Zapreminsko merenje protoka zasniva se na tretiranju zapremine supstance koja protiče
kroz posmatrani poprečni presek na osnovu merenja nekog parametra. Merni parametar rezultat
je međusobnog delovanja toka fluida i tela postavljenog u tok. Telo može biti fiksirano ili
pokretno. Nepokretno telo je tzv. prigušnica, a merni parametar tada je diferencijalni pritisak.
Oko 66% svih senzora protoka su ovoga tipa.
Zapreminski senzori sa pokretnim telom su:
- rotametarski,
- turbinski,
- rotacioni zapreminski,
- elektromagnetni,
- ultrazvučni,
- senzori sa Doplerovim efektom, i
- vrtložni senzori.
4.6.1.1 Turbinski protokmetar
Zapreminski senzori protoka sa merenjem brzine fluida imaju aksijalnu ili poprečno
postavljenu turbinu kao osetilni element. Zbog toga su i dobili naziv turbinski protokometri.
Broj obrtaja turbine u jedinici vremena n proporcionalan je brzini fluida v u posmatranom
poprečnom preseku S:
n=k·v (4.27)
gde je:
k - koeficijent proporcionalnosti
Ako se eliminiše brzina fluida v pomoću poznate relacije za zapreminski protok QV= vS,
dobije se da je:
61
(4.28)
Imajući u vidu definiciju zapreminskog protoka (20.2), jednačina (20.17) postaje:
(4.29)
Integriranjem u vremenu od dobija se:
(4.30)
gde je:
N2 - N1 - pokazivanje brojača, odnosno broj obrtaja turbine u intervalu t2- t1
Merenjem ukupnog broja obrtaja dobija se informacija o zapreminskoj količini
proteklog fluida.
Zapreminski protok određuje se merenjem brzine obrtanja turbine, najčešće pomoću
elektromagnetnog tahometra reluktantnog tipa. U tom slučaju lopatice rotora su od
feromagnetnog, a kućište protokometra od neferomagnetnog materijala (slika 4.18). Prolazom
lopatice turbine kroz magnetno polje stalnog magneta tahometra indukuje se jedan impuls.
Ukupan broj impulsa I na intervalu ∆t jednak je broju izmerenih obrtaja pomnožen sa brojem
lopatica:
(4.31)
Slika 4.18. Turbinski protokomer: a) funkcionalna šema, b) izgled
4.6.1.2 Indukcioni (elektromagnetni) senzori protoka
To su elektromagnetni senzori koji rade na principu Faradejevog zakona indukcije. Kao
što je poznato, ovaj zakon kaže da se relativnim kretanjem provodnika i magnetnog polja pod
pravim uglom na provodniku indukuje napon. Na ovom principu rade istosmerni i naizmenični
generatori napona. Za merenje protoka princip je primenljiv samo za provodne tečnosti. Takva
tečnost ekvivalentna je provodniku dužine jednake unutrašnjem prečniku cevi D (slika 4.19a).
Provodnik se kreće srednjom brzinom toka v u magnetnom polju B, zbog čega se na krajevima
provodnika, tj. na elektrodama indukuje napon:
62
(4.32)
Poslednja jednačina može se napisati u obliku:
(4.33)
Elektomagnetni senzori protoka se primenjuju za merenje zapreminskog protoka
provodnih tečnosti (uključujući i vodu) gde je potreban visok kvalitet merenja i malo
održavanje sistema.
Slika 4.19. Indukcioni senzor: a) princip rada, b) konstrukcija, c) izgled
63
5. DETEKTORI SIGNALA GREŠKE
Detektor signala greške (komparator, diskriminator) slika 5.1, poredi signal sa izlaza
pretvarača zadate vrednosti regulisane veličine x1(t) i signal sa izlaza mernog pretvarača y1(t) i
kao rezultat tog poređenja na svom izlazu daje signal greške:
e(t)=x1(t)-y1(t) (5.1)
Pri tome detektori signala greške mogu upoređivati samo signale istih fizičkih veličina.
Slika 5.1. Detektor signala greške
S obzirom na fizičku prirodu ulaznih i izlaznih signala detektori signala greške mogu
biti:
- mehanički,
- pneumatski,
- hidraulični i
- električni.
Kao mehanički detektori signala greške koriste se poluge za poređenje pomeraja ili
sile, mehanički diferencijali za detekciju zbira ili razlike ugaonih pomeraja itd. Najčešće se
koriste detektori pomeraja i brzine.
Kao detektori pomeraja koriste se potenciometarski most, diferencijalni induktivni
pretvarači pomeraja sa pokretnim jezgrom i sa pokretnom kotvom, diferencijalni
transformatorski pretvarač pomeraja, kao i elektromašinski pretvarači pomeraja, od kojih se
najčešće koriste selsini.
Selsini su sinhrone mašine sa tri statorska namotaja vezana u zvezdu i rotorom u obliku
elektromagneta. Rotor se napaja naizmeničnom strujom, koja stvara fluks, koji u namotajima
statora indukuje EMS iste učestanosti kao napon kojim se napaja rotorski namotaj. Veličina
EMS u pojedinim namotajima uslovljena je ugaonim položajem rotora u odnosu na određeni
namotaj. Za referentnu osu se može uzeti bilo koja osa koja zaklapa ugao od 180o sa bilo kojim
od tri statorska namotaja. Za prenos ugaonog položaja na daljinu koristi se transformatorska
sprega dva selsina, koja se sastoji od predajnog i prijemnog selsina, a za automatski prenos ugla
na daljinu koristi se indikatorska veza selsina. To je sprega predajnog i pratećeg selsina koja
omogućava da se na jedan predajni selsin veže više prijemnih selsina.
Za detektovanje promene naponskih i strujnih signala mogu se koristiti potenciometri,
Vitstonov most, mali generatori jednosmerne struje sa nezavisnom pobudom, operacioni
pojačavač itd.
Operacioni pojačavač je diferencijalni pojačavač sa dva ulaza i jednim izlazom, na kome
se dobija signal čija je veličina određena razlikom ulaznih napona U1 i U2, kao i pojačanjem K:
Ui=K·(U2-U1) (5.2)
64
Ukoliko su naponi na „–„ i „+“ ulazu jednaki, tj. U1=U2, napon na izlazu je Ui=0, a ako
je U1=const; U2≠const, vrednost napona Ui=f(U2) i predstavlja neinvertujući ulaz, dok u
suprotnom slučaju za U1 imamo invertujući ulaz.
Slika 5.2. Detektor signala greške realizovan pomoću operacionog pojačavača
65
6. REGULATORI
6.1 Osnovni pojmovi i podele
Regulator (regulacioni uređaj) je najsloženiji element sistema automatske regulacije,
koji pojačava i oblikuje signal greške: e(t)=x1(t)-y1(t) tako da se dobije željeno statičko i
dinamičko ponašanje sistema automatske regulacije. Regulator na svom izlazu generiše
regulacioni signal u(t) pomoću koga preko aktuatora deluje na objekat regulacije tako da signal
greške svede na nulu ili zanemarivo malu vrednost: e(t) = x1(t) - y1(t) → 0 (odnosno tako da
koriguje odstupanje stvarne od zadate vrednosti regulisane veličine).
Osnovni zadatak regulatora jeste da održava željeno stanje objekta regulacije, koje može
biti nepromenjivo u vremenu i promenjivo u zavisnosti od toga da li se menja zadata vrednost
regulisane veličine x(t). U prvom slučaju regulator održava proces, a u drugom vodi proces.
Korektivno delovanje regulatora uvek ima za cilj upravljanje energijom koja ulazi u
proces. Analogni regulatori najčešće se rade s operacionim pojačalima, a digitalni s
mikrokontrolerima i kao takvi ni u kom slučaju ne predstavljaju izvore energije, već izvore
informacije o potrebnoj promeni energije.
Regulator predstavlja element koji svojim dejstvom treba da koriguje prenosnu funkciju
sistema regulacije tako da on dobije stabilnost, brzinu odziva i druge statičke i dinamičke
karakteristike. Njegov zadatak je da sistem učini neosetljivim na smetnje, a što osetljivijim na
ulaznu veličinu.
Novije izvedbe regulatora se sastoji od tri sklopa, slika :
- sklopa za detekciju signala greške, tako da regulator ima dva ulaza: ulaz za signal
zadate i ulaz za signal stvarne vrednosti regulisane veličine.
- sklopa za dinamičku obradu signala greške (npr. za filtriranje, analogno-digitalnu i
digitalno-analognu konverziju itd.) i
- sklopa za pojačavanje signala greške.
Slika 6.1. Sklopovi od kojih se sastoje novije izvedbe regulatora
Kada regulatori u sebi sadrži detektor signala greške strukturna blok šema sistema
automatske regulacije u tom slučaju dobija jednostavniji oblik, kao što je prikazano na slici 6.2.
66
Slika 6.2. Strukturna blok šema sistema automatske regulacije u kojoj regulator u sebi sadrži
detektor signala greške
Nekada regulator u sebi pored detektora signala greške sadrži i senzor i aktuator tako da
u tom slučaju strukturna blok šema sistema automatske regulacije dobija još jednostavniji oblik,
kao što je prikazano na slici 6.3.
Slika 6.3. Strukturna blok šema sistema automatske regulacije u kojoj regulator u sebi pored
detektora signala greške sadrži i senzor i aktuator
U sistemima automatske regulacije koristi se veliki broj regulatora, koji se prema vrsti
dodatne energije koju koriste dele na:
- mehaničke,
- pneumatske,
- hidraulične,
- elektromehaničke,
- elektronske i
- kombinovane.
U praksi se regulatori najčešće realizuju pomoću operacionih pojačavača.
6.1.1 Sklop za dinamičku obradu signala greške
U zavisnosti od zakona, odnosno oblika delovanja regulatori mogu biti:
- proporcionalni P,
- integralni I,
- diferencijalni D,
Regulator Objekat
regulacije
z(t)
y(t) u(t)
y (t)
x(t)
Senzor
z(t)
y(t) u(t)
y1(t) -
x(t)
Aktuator Objekat
regulacije
Regulator u1(t)
67
- proporcionalno-integralni PI,
- proporcionalno-diferencijalni PD i
- proporcionalno-integralno-diferencijalni PID.
6.1.1.1 Proporcionalni P regulator
Proporcionalno P delovanje regulatora karakteriše se proporcionalnom zavisnošću
izlazne u(t) od ulazne veličine e(t), slika :
u(t)=kp·e(t) (6.1)
gde je:
kp - koeficijent proporcionalnosti ili pojačanje
Prenosna funkcija P-regulatora data je na slici 6.4.
Slika 6.4. Karakteristika (prenosna funkcija) P regulatora
Jednostavan električni P regulator može se realizovati pomoću promenljivog omskog
otpornika, kao što je prikazano na slici 6.5.
Slika 6.5. Električni P-regulator izveden pomoću promenljivog omskog otpornika
Na slici 6.6 je prikazan električni P regulator realizovan pomoću operacionog
pojačavača. Otpornici R1 i R2 u kolu operacionog pojačavača čine komparator struja, a njihova
zajednička tačka se nalazi na nultom potencijalu. Na otpornik R1 se dovodi zadata vrednost
napona U1, a na R2 napon U2 koji odgovara stvarnoj vrednosti regulisane veličine.
68
Slika 6.6. Električni P regulator realizovan pomoću operacionog pojačavača
Ovi naponi na svojim otpornicima stvaraju struje, a njihova razlika prolazi kroz R3 i
stvara izlazni napon:
(6.2)
Negativno pojačanje pojavljuje se kao rezultat invertujuće strukture pojačivača koji
unosi fazni pomak od 180o. Kako je ovaj fazni pomak stalan, uzima se u obzir kroz polaritet
izlaznog napona. Za stabilnost sistema regulacije važna je prenosna funkcija zatvorenog kola
tako da tada treba uzeti u obzir signal sa otpora R2:
. (6.3)
Pri čemu je k - statičko pojačanje P-regulatora.
Primer mehaničkog P-regulatora je klackalica sa oprugom, slika 6.7.
Slika 6.7. Primer P-regulatora - Klackalica sa oprugom
Proporcionalni P regulator je klasičan jednosmerni pojačavač sa dva ulaza. On ima brz
odziv, ne unosi fazni stav ali ima grešku u stacionarnom stanju. Greška se smanjuje sa
povećanjem pojačavača, ali se time ugrožava stabilnost.
6.1.1.2 Pneumatski P - regulator
U mnogim tehnološkim procesima, posebno u hemijskoj industriji, za regulacione
uređaje se koristi vazduh pod pritiskom kao pomoćna energija i nosilac signala. Za prenos
pneumatskih signala, npr. od regulatora do izvršnog organa, koriste se cevi od bakra i plastike
(prečnika 4 mm). Maksimalna dužina tih cevi iznosi oko 300 m.
Dobre strane pneumatskih regulatora su:
- jednostavni su za rukovanje,
- nisu eksplozivno opasni (ne koriste električne signale),
69
- koriste se pneumatski izvršni organi (npr. ventili),
- jednostavne su izvedbe i
- mogu proizvesti velike pogonske sile.
Pneumatski regulatori uobičajeno rade sa signalima između 0,2 i 1,0 bara nadpritiska, a
koriste pritisak napajanja oko po=1,4 bara.
Načelna izvedba pneumatskog P regulatora za regulaciju pritiska u cevi Ys, prikazana
je na slici 6.8.
Slika 6.8. Načelna izvedba pneumatskog P regulatora za regulaciju pritiska u cevi Ys
Pritisak u cevi Ys treba održavati konstantnim nezavisno od poremećaja koji deluju na
proces. Pritisak u cevi Ys se meri pomoću mernog pretvarača i kao pneumatski signal y(t)
dovodi se u P regulator. Regulator generiše regulaciono odstupanje e(t), koje se dalje obrađuje
da bi se dobio upravljački signal u(t), odnosno pR, koji deluje izvršno preko membranskog
ventila (izvršnog organa). Ventil deluje na zapreminski protok, a time i na pritisak u cevi.
P regulator se snabdeva preko ventila (prigušenja) konstantnim pritiskom po≈1,4 bara.
Najvažniji deo regulatora predstavlja sistem mlaznica - odbojna ploča, odbojna ploča je
izvedena kao krak poluge. Promenom razmaka između mlaznice i odbojne ploče, izlazna
veličina regulatora u(t) može podešavati izvršni pritisak pR u području 0 ≤ pR ≤ p0.
Ako je odbojna ploča udaljena od mlaznice onda je pR=0, pošto sabijeni vazduh
nesmetano izlazi iz mlaznice, te se ukupni pad pritiska javlja na prigušivaču (analogija: pritisak
- napon). Ako se pak odbojna ploča nalazi neposredno uz mlaznicu, ne ističe vazduh kroz
mlaznicu, tako da je pad pritiska na prigušenju zanemariv pR≈p0.
Razmak između mlaznice i odbojne ploče određuje se ravnotežom sila prouzrokovanih
oprugom u članu za nameštanje referentne (vodeće) vrednosti i mernim mehom. Poređenjem
70
sila stvara se regulaciono odstupanje e(t)=xR(t)-y(t). Mala promena u signalu y(t) prouzrokovaće
promenu pritiska pR. Time se ovaj sistem može smatrati kao pojačalo sa visokim pojačanjem.
Koja je uloga povratnog meha?
Povratni meh služi da redukuje visoko pojačanje sistema: mlaznica – odbojna ploča.
Mernom mehu je na drugom kraju merne vage suprostavljen povratni meh koji je spojen na
izlaznu veličinu regulatora u(t) s izvršnim pritiskom pR i time se suprotstavlja sili mernog meha
(povratna sprega). Povratni meh ima zanemarivo malu zapreminu.
Slika 6.9. Princip povratne sprege
S obzirom na položaj uporišne tačke S povratni meh jače ili slabije utiče na ravnotežu
momenta vage. Drugim rečima to znači da se promenom položaja uporišne tačke S menja i
pojačanje Kr u povratnoj spregi, odnosno pojačanje KR regulatora. Ako se uporišna tačka
pomera prema levo povećava se Kr, odnosno smanjuje se KR. Obrnuto je za slučaj pomeranja
uporišne tačke prema desno.
Na sličan način se izvode pneumatski PI i PID regulatori.
6.1.1.3 Integralni I regulator
Integralno I delovanje pokazuje odnos brzine promene izlazne veličine u zavisnosti od
ulazne veličine, slika , odnosno:
(6.4)
Prenosna funkcija I regulatora data je na slici 6.10.
Slika 6.10. Karakteristika (prenosna funkcija) I regulatora
Primer I regulatora je klipni hidraulični servo-motor ili električno kolo sa
kondenzatorom kao što je prikazano na slici 6.11.
e
71
Slika 6.11. Električni I regulator realizovan pomoću električnog kola sa kondenzatorom
Ovde je ulazna veličina struja i, izlazna napon u, a kao regulator imamo kondenzator C.
Na slici 6.12. je prikazan električni integralni I regulator realizovan pomoću
operacionog pojačavača.
Slika 6.12. Električni I regulator realizovan pomoću operacionog pojačavača
Izlazni napon ovoga regulatora je takav da mu je brzina promene proporcionalna
ulaznom naponu. Prenosna funkcija I-regulatora definiše se kao:
(6.5)
Pri čemu je T - integraciono dejstvo regulatora
Integralni regulator ima beskonačno pojačanje i nultu grešku u statičkom stanju ali unosi
fazni pomak od -90o. Ovaj fazni pomak povećava stabilnost.
6.1.1.4 Diferencijalni D regulator
Diferencijalno D delovanje pokazuje zavisnost izlazne veličine od brzine promene
ulazne veličine, odnosno:
yu=kd·dev
dt (6.6)
U idealnom slučaju ta zavisnost je kao na slici 6.13.
q=C.u
i=dq/dt = d(C.u)/dt = C
.du/dt
u = (1/C).∫idt
72
Slika 6.13. Karakteristika idealnog D regulatora
Međutim, zahvaljujući inerciji sistema dobijamo izmenjeni dijagram, slika 6.14, prema
funkciji:
yu(t)=kp·em·e-t/T
(6.7)
Slika 6.14. Karakteristika realnog D regulatora
Primer D regulatora je hidraulična kočnica ili električno kolo sa kondenzatorom na
kraju, gde je ulazna veličina napon u, a izlazna struja i, slika 6.15.
Slika 6.15. Električni D-regulator realizovan pomoću kondenzatora
(6.8)
6.1.1.5 Proporcionalno-integralni PI regulator
Za regulaciju procesa gde je neophodno brzo i tačno regulisanje koriste se PI regulatori,
kod kojih se brzinu dobija delovanjem P regulatora, a tačnost delovanjem I regulatora.
Delovanje PI regulatora opisano je jednačinom:
yu(t)=kp·ev(t) + ki·∫ev(t)dt (6.9)
Prenosna funkcija (prelazna karakteristika) PI regulatora je prikazana na slici 6.16.
i=C·du/dt => yu = C·dev/dt
73
Slika 6.16. Karakteristika (Prenosna funkcija) PI regulatora
Električni PI regulator je električno kolo prikazano na slici 6.17.
Slika 6.17. Električni PI regulator realizovan pomoću omskog otpornika i kondenzatora
Zavisnost napona u2(t) od u1(t) data je jednačinom:
u2(t) = k·[-u1(t)+1/T1∫-u1(t)dt] (6.10)
gde je:
(6.11)
Najčešće se u praksi koristi upravo PI regulator pošto njegova regulaciona karakteristika
sadrži i proporcionalno i integralno dejstvo. Proporcionalno dejstvo obezbeđuje veliku brzinu
odziva uz mali fazni pomak, dok integralno dejstvo svodi grešku regulacije u stacionarnom
stanju na nulu.
PI regulator realizovan sa operacionim pojačavačem se ostvaruje sa otpornicima za
referentni signal i signal povratne sprege, a povratna sprega se ostvaruje sa rednom vezom
otpornika i kondenzatora, kao što je prikazano na slici 6.18.
Slika 6.18. Električni PI regulator realizovan pomoću operacionog pojačavača
74
Prenosna funkcija PI regulatora iznosi:
(6.12)
Pri čemu je:
- integraciono vreme regulatora
- vremenska konstanta regulatora
- pojačanje regulatora na visokim frekvencijama
Prenosna karakteristika PI regulatora pogodna je da kompenzuje uticaj dominantnog
pola u prenosnoj funkciji aktuatora i objekta regulacije. Na ovaj način se povećava pojačanje na
niskim frekvencijama i eliminiše greška stacionarnog stanja.
6.1.1.6 Proporcionalno-integralno-diferencijalni PID regulator
PID regulatori predstavljaju paralelnu vezu regulatora sa proporcionalnim, integralnim i
diferencijalnim delovanjem, što se može predstaviti jednačinom:
yu(t)=kp·ev(t) + ki·∫ev(t)dt + kd·dev
dt (6.13)
Ovakav regulator ima sva dobra svojstva tri osnovne vrste regulatora. Reaguje veoma
brzo, sprečava velika regulaciona odstupanja, omogućava stalno, dovoljno jako pojačanje i
stabilnost sistema i obezbeđuje tačnost.
Karakteristika PID regulatora ima oblik kao na slici 6.20
Slika 6.20. Karakteristika PID regulatora
Primer električnog PIDregulatora prikazan je na slici 6.21.
Slika 6.21. Električni PID regulator realizovan pomoću omskog otpornika, kalema i
kondenzatora
y
u
75
u2(t)= R·i(t)+ L·di(t)/dt+1/C·∫i(t)dt
i(t)=u1(t)/R
u2(t)= u1(t)+ Td·du1(t)/dt+1/Ti·∫u1(t)dt (6.14)
Td=L/R ; Ti=R·C (6.15)
Može se zaključiti sledeće:
- Povećanjem proporcionalnog P delovanja regulatora, može se dobiti brži sistem,
koji će uz to imati manje trajno regulaciono odstupanje. Međutim, pri tome sistem
postaje skloniji oscilacijama.
- Uvođenjem integralnog I delovanja, eliminiše se trajno regulaciono odstupanje.
Ipak, takvo delovanje, posebno ako je pojačanje integralnog delovanja značajno
može loše uticati na stabilnost sistema.
- Povećanjem diferencijalnog D delovanja regulatora, oscilacije u sistemu će se
smanjivati, ali prevelikim prigušenjem može se usporiti odziv.
Tri osnovna dinamička ponašanja linearnih stacionarnih elemenata sistema automatske
regulacije su:
- Proporcionalno P delovanje. Primer: pritisak na dnu posude je proporcionalan nivou
tečnosti
- Integralno I delovanje. Primer: zakret osovine motora je integral brzine obrtanja
motora
- diferencijalno D delovanje. Primer: indukovani napon u kalemu predstavlja prvi
izvod struje kalema.
Ekvivalentna dinamička delovanja upravljačkog uređaja:
- proporcionalno delovanje, deluje na brzinu odziva sistema
- integralno delovanje, deluje na grešku u stacionarnom stanju
- diferencijalno delovanje, deluje na kvalitet prelaznog procesa
- kombinovano delovanje (PI, PD, PID), nastoje se ostvariti željene statičke i
dinamičke karakteristike, tj. kvalitet upravljanja
Glavni zahtevi po pitanju kvaliteta odziva su: tačnost i stabilnost odziva
Dodatni zahtevi po pitanju kvaliteta odziva: oblik prelazne pojave
uR(t)=R·i(t)
uL(t)=L·di(t)/dt
uC(t)=1/C·∫i(t)dt
76
Slika 6.22. Primer PID regulatora - Klackalica s oprugom, viskoznim prigušivačem i
mehanizmom za punjenje i pražnjenje rezervoara
6.1.1.7 Ilustracija rada PID regulatora na primeru klackalice
Radi slikovitijeg i jasnijeg objašnjenja PID regulatora, a bez bilo kakve matematičke
analize, njegovo delovanje je prikazano na primeru klackalice na kojoj se deca ljuljaju u parku.
Ako se klackalica data na slici 6.23 posmatra kao objekt regulacije, potrebno je da ona
bude potpuno u ravnoteži, odnosno da se željena vrednost r i izlaz y podudaraju. Ako je dobro
uravnotežena i podešena, onda je moguće da željena vrednost bude jednaka izlaznoj, što je
uobičajeni cilj neke regulacije.
Slika 6.23. Klackalica u ravnoteži
Međutim, uticaj bilo kakvog poremećaja, poput težine ptice na slici 6.24, poremetiti će
ravnotežu klackalice. Tada će stvarna vrednost izlazne veličine y biti različita od željene
vrednosti r, te će postojati neka greška e.
Slika 6.24. Poremećaj uzrokuje neravnotežu klackalice
77
Odmah se nameće rešenje da se na drugu stranu klackalice postavi jednaki teret, koji će
kompenzirati poremećaj, slika 6.25. To rešenje može biti dobro kada se unapred precizno
poznaje ili se može meriti poremećajna veličina.
Slika 6.25. Kompenzacija poremećaja dodanim teretom
Drugo rešenje moglo bi se ostvariti dodavanjem povratne sprege s proporcionalnim
delovanjem (P regulator) u ovoj ilustraciji odgovara dodatku opruge na klackalici prema slici
6.16. Iznos sile kojom opruga vraća klackalicu u ravnotežu proporcionalan je njenom otklonu
od ravnotežnog položaja (regulacion greška e). Što je opruga kruća, sila kojom opruga vraća
klackalicu u ravnotežni položaj je veća (za isti otklon od ravnotežnog položaja). Zato se krutost
opruge K u ovom slučaju može smatrati proporcionalnim pojačanjem regulatora. Jedinica je
N/m.
Slika 6.16. Klackalica s oprugom – P regulator
Opruga u sistemu može uneti neželjene oscilacije. Da bi se taj problem rešio, može biti
neophodno dodati viskozni prigušivač, odnosno amortizer, što je prikazano na slici 6.27.
Viskozni prigušivač ne deluje na sami otklon klackalice već na brzinu promene otklona i na taj
način predstavlja derivaciono delovanje (D regulator). Dakle, viskozni prigušivač nema uticaja
kada klackalica miruje u bilo kom položaju, ali on deluje kada klackalica osciluje na način da
stvara silu otpora proporcionalnu brzini oscilovanja. Veličina sile otpora oscilacijama data je
koeficijentom viskoznog prigušenja D, čija jedinica je N·s/m (ako se pretpostavi da je to
linearni prigušivač).
Slika 6.27. Klackalica s oprugom i viskoznim prigušivačem – PD regulator
78
Sa slike 6.28 se može uočiti da opruga i viskozni prigušivač, odnosno PD regulator,
neće uspeti potpuno eliminisati trajnu regulacionu grešku e0. Naime, viskozni prigušivač uopšte
ne deluje na neko trajno odstupanje. Da bi se uspostavila sila kojom opruga vraća klackalicu u
ravnotežu, potreban je otklon od ravnoteže. Može se takođe uočiti da će trajna regulaciona
greška biti manja što je krutost opruge K veća, odnosno što je proporcionalno pojačanje
regulatora veće.
Slika 6.28. Nazočnost trajne regulacione greške e0
Da bi se uspešno eliminisala trajna regulaciona greška potrebno je uvesti delovanje s
integralnim karakterom. Ilustracija takvog delovanja prikazana je na slici 6.29. Otklon
klackalice od ravnoteže otvara ventil V1 preko koga se puni rezervoar sa vodom. Što je duže
nagib klackalice prisutan, više će se vode napuniti i na taj način neutralisati se težina na desnoj
strani klackalice. Osim dužine trajanja nagiba klackalice koje predstavlja integralni karakter
regulatora, na punjenje rezervoara utiče i veličina nagiba (regulaciona greška), te odnos krakova
poluge a/b, koji u ovom slučaju možemo smatrati integralnim pojačanjem regulatora. Što je
odnos a/b veći, ventil se više otvori, pa se rezervoar brže puni za isti iznos regulacione greške.
U slučaju nagiba klackalice u suprotnom smeru, otvara se ventil V2 preko kojeg se posuda
prazni.
Prilikom punjenja i pražnjenja rezervoara za ovaj prikaz pretpostavljeno je da protok
kroz ventil zavisi samo od površine otvora ventila, a ne i od razlike pritisaka vode ispred i iza
ventila. U slučaju slobodnog isticanja vode iz rezervoara ta pretpostavka svakako ne bi bila
korektna. Međutim, radi pojednostavljenja ilustracije delovanja regulatora ovde će se uzeti
takva, fizikalno nekorektna pretpostavka.
Slika 6.29. Klackalica s oprugom, viskoznim prigušivačem i mehanizmom za punjenje i
pražnjenje rezervoara - PID regulator
Može se zaključiti sledeće:
79
- Povećanjem proporcionalnog (P) pojačanja regulatora, odnosno krućom oprugom,
može se dobiti brži sistem, koji će uz to imati manje trajno regulaciono odstupanje.
Međutim, pri tome sistem postaje skloniji oscilacijama.
- Povećanjem diferencijalnog (D) delovanja regulatora, odnosno većim viskoznim
prigušenjem, oscilacije u sistemu će se smanjivati, ali prevelikim prigušenjem može
se usporiti odziv.
- Uvođenjem integralnog (I) delovanja, eliminiše se trajno regulaciono odstupanje.
Ipak, takvo delovanje, posebno ako je pojačanje integralnog delovanja značajno
može loše uticati na stabilnost sistema.
6.2 Sklop za pojačavanje signala greške
Pojačavači signala greške ulazni signal relativno male snage pretvaraju u izlazni signal
pojačanog energetskog nivoa, a da bi to postigli koriste energiju iz spoljašnjih izvora. Sastoje se
od ulaznog stepena, koji prenosi ulazni signal na ulaz pojačavačkog stepena, gde se vrši
dopunjavanje energije iz spoljašnjeg izvora. Na kraju je izlazni stepen, koji služi za prenos
pojačanog signala na objekat regulacije. Blok-šema pojačavača signala greške prikazana je na
slici 6.30.
Slika 6.30. Blok-šema pojačavača signala greške
Osnovna karakteristika pojačavača signala greške je faktor pojačanja G, koji predstavlja
odnos signala na izlazu i ulazu pojačavača:
G=u/e (6.16)
U zavisnosti od konstrukcije i principa rada pojačavača, faktor pojačanja se kreće u
granicama od 10-107.
Pojačavači signala greške se koriste za pojačavanje napona, struje, snage, pomeraja,
brzine, protoka itd., a dele se prema veličini izlazne snage i faktoru pojačanja, prema vrsti
energije koju uzimaju iz spoljašnjeg izvora energije, prema konstrukciji, principu delovanja itd.
S obzirom na vrstu energije koju uzimaju iz spoljašnjeg izvora za napajanje postoje:
- električni,
- hidraulični,
- pneumatski i
- mehanički pojačavači signala greške.
80
7. AKTUATORI (IZVRŠNI ORGANI)
Aktuator (izvršni organ), je element koji na osnovu regulacionog signala u(t) koga
generiše regulator daje postavnu veličinu u1(t) koja direktno deluje (utiče) na objekat regulacije
tako da signal greške svede na nulu. U američkoj literaturi izvršni organ se najčešće naziva
aktuator (actuator).
Aktuatori (izvršni organi) su uređaji koji generišu akciju (npr. pomeraj) na račun
energije koja im se dovede na ulaz. Oni pretvaraju električnu energiju ili energiju fluida (npr.
energiju komprimovanog vazduha ili ulja pod pritiskom) u mehaničke izlaze, kao što su:
pomeraj, sila, moment itd., čime ostvaruju povratni uticaj na objekat regulacije. Aktiviranje
izvršnog organa se ostvaruje standardnim strujnim signalima (4-20 mA), standardnim
naponskim signalima (0-10 V, 24 V) ili standardnim hidrauličnim i pneumatskim signalima.
Aktuatori (izvršni organi) se u automatizovanim proizvodnim procesima koriste za
pokretanje: pokretnih linija, rotacionih stolova, manipulatora, robota, kompleksnih sistema koji
su sastavljeni od niza automatizovanih mašina itd.
Izvršni organi se sastoje od, slika 7.1:
- pogonskog uređaja (PU), koji izlaznu veličinu regulatora pretvara u mehaničku
snagu za pokretanje izvršnog uređaja (to su: elektromotori, pneumatski i hidraulički
motori, solenoidi, servomotori itd.). Npr. pogonski uređaj je neki elektromotor koji
pokreće neki ventil kao izvršni uređaj. Prilikom izbora izvršnih organa posebnu
pažnju treba obratiti na karakteristike pogonskih uređaja, koji mogu da prave velika
kašnjenja i druga nepovoljna dejstva.
- izvršnog (mehaničkog) uređaja (IU), koji direktno deluje na tok mase ili energije u
objektu regulacije (to su: ventili, klapne, zasuni, zaklopke, zatvarači itd.).
Slika 7.1. Šema izvršnog organa
S obzirom na to koja se vrsta energije koristi za pogon pogonskih uređaja akuatori
(izvršni organi) se dele na:
- električne, koriste električnu energiju (to su: motori jednosmerne struje, motori
naizmenične struje, univerzalni motori, koračni motori, linearni motori,
elektromagneti, piezoelektrični, magnetostriktivni, elektrohemijski, termalni,
memorijskometalni, tranzistorska i tiristorska pojačala itd.),
- mehaničke, koriste mehaničku energiju
- hidraulične, koriste energiju ulja pod pritiskom (to su: cilindri, motori, ventili itd.),
i
- pneumatske, koriste energiju komprimovanog vazduh (to su: cilindri, motori,
ventili itd.),
- i njihove kombinacije
S obzirom na način kretanja postoje:
81
- rotacioni i
- linearni aktuatori.
1. Rotacion aktuatori
Pogonski uređaji kod rotacionih aktuatora neposredno ostvaruju rotaciono kretanje.
Rotacioni aktuatori su ustvari rotacioni motori (elektromotori, hidraulički i pneumatski motori).
Koriste se na svim mestima gde se javlja potreba za nekim vidom rotacionog kretanja.
2. Linearni aktuatori
Pogonski uređaji kod linearnih aktuatora neposredno ili posredno ostvaruju
pravolinijsko kretanje. Koriste se na svim mestima gde se javlja potreba za nekim vidom
linearnog kretanja, kao što su: alatne i industrijske mašine, CNC mašine (eng. computer
numerical control), automatizovane linije, manipulatori, računarske periferije (kao što su: CD
rom (Compact Disk Rom), hard disk, štampač), kućna automatizacija, automatizovan klizna
vrata, klizne kapije, liftove, električni ili pneumatski podizači prozora, itd.
Linearni aktuatori se prema načinu izvedbe dele na:
- indirektne linearne aktuatore, koji neki drugi vid kretanja, primenom pretvarača,
pretvaraju u pravolinijsko kretanje i
- direktne linearne aktuatore, koji direktno proizvode linearno kretanje.
a) Indirektni linearni aktuatori
Primenom indirektnih linearnih aktuatora moguće je dobiti linearno kretanje
pretvaranjem drugih vidova kretanja, kao što je npr. rotaciono kretanje, u linearno upotrebom
mehaničkih prenosnika. Indirektni linearni aktuatori kao pogonski uređaj mogu da koriste
rotacioni elektromotor, a linearno kretanje se dobija indirektno korišćenjem nekog mehaničkog
prenosnika.
Konstrukcijski gledano, ovi aktuatori su komplikovaniji od direktnih linearnih pogona.
Indirektni linearni aktuatori se nazivaju i mehaničkim linearnim aktuatorima jer se zapravo
linearno mehaničko kretanje postiže upotrebom mehaničkog prenosnika, npr. navojnog vretena,
kaiša, zupčanika itd.
b) Direktni linearni aktuatori
Konstrukcija direktnih linearnih aktuatora je mnogo jednostavnija od konstrukcije
indirektnih jer nemaju pretvaračkog dela, nego se na izlazu aktuatora odmah dobija linearno
kretanje. U ovaj tip aktuatora svrstavaju se linearni električni motori, piezoelektrični pogoni,
hidraulični i pneumatski cilindri.
Tipični primeri direktnih linearnih aktuatora su hidraulični i pneumatski cilindri koji se
koriste za direktno generisanje linearnog kretanja korišćenjem energije uskladištene unutar
fluida ili gasa pod pritiskom. Kod ovih aktuatora se utroškom energije koja pokreće aktuator
dobija linearni pomeraj bez korišćenja dodatnih mehaničkih prenosnika kretanja.
Pored konvencionalnih direktnih linearnih aktuatora kao što su hidraulični i pneumatski
cilindri, treba pomenuti i piezoelektrične aktuatore, kao i linearne električne motore koji svojim
jednostavnim dizajnom, i mogućnošću postizanja velikih brzina, ubrzanja i velike preciznosti
pariraju ostalim linearnim aktuatorima.
82
7.1 Električni aktuatori
Električni aktuatori pretvaraju električnu energiju (koju definišu struja i napon) u
mehaničko kretanje (koje definišu moment i ugaona brzina).
Ako radni mehanizam treba da vrši linearno (translatorno) kretanje onda se koristi pužni
prenos ili zupčasta letva koji pretvaraju rotaciono u linearno (translatorno) kretanje. Kod
linearnih elektromotora nije potreban mehanički prenos između motora i radnog mehanizma.
Elektromotori uglavnom rade na pricipu elektromagnetne indukcije, ali postoje druge
vrste elektromotora koji koriste druge elektromehaničke fenomene (elektrostatička sila i
piezoelektrični efekat).
S obzirom na princip rada elektromotori se dele na:
- motore jednosmerne struje - DC (direct current) motore, koji mogu biti:
o motori jednosmerne struje sa četkicama i
o motori jednosmerne struje bez četkica.
- motore naizmenične struje - AC (alternate current) motore, koji mogu biti:
o sinhroni motori i
o asinhroni motori.
- univerzalne motore,
- koračne (step) motore i
- linearne električne motore.
7.1.1 Motori jednosmerne struje (DC motori)
Motori jednosmerne struje - DC (direct current) motori, su električne mašine koje
pretvaraju jednosmernu struju električne energije u mehaničku energiju. Dobijena mehanička
energija je u obliku rotacionog kretanja, koje se kasnije korišćenjem raznih mehaničkih
prenosnika može transformisati u druge tipove pomeranja. Motori jednosmerne struje mogu
biti:
- sa četkicama i
- bez četkica.
1. Motori jednosmerne struje sa četkicama
Motori jednosmerne struje sa četkicama - BDC (Brushed DC) motori, su osnovna
izvedba motora jednosmerne struje. Osnovne komponente motora jednosmerne struje sa
četkicama su: stator (mirujući deo), rotor (obrtni deo), komutator (kolektor) i četkice.
83
Slika 7.2. Motor jednosmerne struje sa četkicama
Nedostaci motora jednosmerne struje sa četkicama su mali obrtni moment motora i
trošenje komutatora i četkica usled varničenja pri uključenju i prekidanju strujnog kola. Zamena
komutatora na velikim motorima je veoma skupa i zahteva preciznu demontažu i montažu
velikog broja sitnih delova. Kod malih motora je komutator obično integrisan sa rotorom, pa se
u tom slučaju umesto komutatora menja ceo motor.
2. Motori jednosmerne struje bez četkica
Motori jednosmerne struje bez četkica - BLDC (Brushless DC) motori, sve više
zamenjuju motore jednosmerne struje sa četkicama zbog mnogo veće efikasnosti iskorišćenja
rada motora (faktor korisnog dejstva iznosi i do 95%), bolje karakteristike obrtnog momenta,
mogućnosti rada na mnogo većim brzinama okretanja i dužem radnom veku. Ovi motori mogu
da se koriste i u sredinama u kojima postoje zapaljiva isparenja, jer nema varničenja pri radu i
vrlo su tihi.
Naziv bezkolektorski motor jednosmerne struje (BLDC) upućuje na to da je funkcija
kolektora s četkicama (mehanički komutator) zamenjena sa energetskim pretvaračem s mernim
članom položaja rotora (elektroničkim komutatorom). Zbog toga je naziv elektronički
komutovani motor (EKM) često upotrebljivan naziv, za ovakav motor, u stranoj pa i domaćoj
literaturi (engl. Electronically Commutated Motor). Konstrukcija BLDC motora prikazana je sa
slici 7.3.
Slika 7.3. Elektronički komutovani motor EKM
7.1.2 Motori naizmenične struje (AC motori)
Motori naizmenične struje - AC (alternating current) motori, se napajaju naizmeničnom
električnom energijom koju pretvaraju u rotaciono mehaničko kretanje.
Motori naizmenične struje se dele na:
84
- sinhrone
- i asinhrone (indukcione).
7.1.2.1 Sinhroni motori
Sinhroni motor ima trofazne namotaje na statoru dok je rotor ili u obliku stalnog
magneta ili u obliku namotaja napajanih jednosmernom strujom. U savremenim servosistemima
se, po pravilu, sreću motori sa stalnim magnetima.
Slika 7.4. Princip rada sinhronog motora
Stator sa trofaznom strujom stvara u motoru obrtno magnetno polje sinhrone brzine ns .
Ovo polje deluje na polove stalnog magneta stvarajući momenat oko osovine motora. Rotor će
se obrtati istom brzinom kao i polje ns ali će zaostajati za određeni ugao δ koji je utoliko veći
ukoliko je veće opterećenje na osovini motora.
Brzina obrtanja rotora u minuti se određuje po jednačini (7), po kojoj je brzina obrtanja
rotora jednaka brzini obrtnog (Teslinog) elektromagnetnog polja. Iz ove zavisnosti potiče i sam
naziv sinhrone mašine.
Brzina obrtanja rotora se računa po jednačini:
(7.1)
gde je:
- brzina obrtanja rotora
- frekvencija statorskih struja
- broj pari polova
7.1.2.2 Asinhroni motori
Asinhroni motori su od Teslinog pronalaska 1887. godine, do danas, jedni od
najvažnijih pogonskih motora u industrijskim i drugim primenama u pogonima konstantne
brzine.
Osnovni elementi asinhronih motora su stator i rotor. Stator se sastoji iz magnetnog kola
i namotaja. Magnetno kolo je napravljeno od tankih i međusobno izolovanih feromagnetnih
limova, koji su po unutrašnjoj strani ožlebljeni. U žlebove statora je smešten pobudni namotaj.
Namotaj je trofazni, spregnut u zvezdu ili trougao. Počeci i krajevi statorskih namotaja su
izvedeni u priključnu kutiju mašine. Ceo stator se stavlja u kućište mašine, koje je kod manjih
mašina obično izliveno od aluminijuma ili livenog gvožđa. Spoljašnji deo kućišta je sa rebrima
85
radi povećanja površine hlađenja. Na vratilo motora je ugrađen ventilator koji pomaže u
odvođenju toplote sa površine kućišta. Rotor se sastoji od magnetnog kola i namotaja.
Magnetno kolo je izrađeno od tankih i međusobno izolovanih feromagnetnih limova,
ožlebljenih po spoljašnjoj strani. U ove žlebove je smešten namotaj rotora.
S obzirom na izvedbu namotaja rotora asinhroni motori se dele na:
- asinhrone motore sa kaveznim (kratkospojenim) rotorom i
- asinhrone motore sa namotanim rotorom (sa kliznim prstenovima).
7.1.3 Univerzalni motori
Univerzalni motori su motori jednosmerne struje sa rednom pobudom koji mogu da rade
i na jednosmernu i na naizmeničnu struju. Princip rada im je isti kao i motora jednosmerne
struje, ali u pogledu konstrukciji se razlikuju od njih, jer su dosta prostiji.
U principu se motori jednosmerne struje mogu priključiti na naizmeničnu mrežu i oni će
imati iste fizičke osobine kao da su priključeni na jednosmernu mrežu, ali je zato potrebno da
kompletno magnetno kolo (statora i rotora) bude napravljeno od tankih feromagnetnih limova,
kako bi se smanjili gubici uzrokovani vrtložnim strujama koje se javljaju kod mašina
naizmenične struje.
Slika 7.5. Izgled (levo) i magnetno kolo univerzalnog motora (desno)
Prednosti univerzalnih motora su: malih su dimenzija i mogu postići visok broj obrtaja.
Zbog male cene, dobrih pogonskih karakteristika i jednostavnog održavanja univerzalni
motori se koriste u elektromotornim pogonima i u električnim aparatima u domaćinstvima.
Primenjuju se za pokretanje ručnih bušilica, usisivača, miksera, mlinova za kafu, ventilatora itd.
Izrađuju se za snage do oko 1 kW i za brzine obrtanja preko 10.000 ob/min za ručne alate i
druge ručne elektromotorne uređaje, oko 15.000 ob/min i više za usisivače i miksere, te oko
30.000 ob/min za mlinove za kafu.
7.1.4 Koračni (step) motori
Koračni (step) motori (engl. stepper motors), su mašine koje pretvaraju električne
impulse u mehaničko obrtanje, gde svaki električni impuls (takt) dovodi do zakretanja motora
za određeni fiksni ugaoni pomeraj. Pri malim brzinama okretanja, rotor se zaustavlja na svakom
koračnom položaju. Najčešće ih pokreće jednosmerna struja, ali postoje slučajevi gde se koriste
step motori koje pokreće naizmenična struja. Ovi motori se koriste u aplikacijama kod kojih je
precizno pozicioniranje od velikog značaja, kao što su, na primer: precizne računarski vođene
mašine, roboti, medicinska oprema, računarske periferije, kao i stariji modeli računarskih
diskova.
86
Naziv koračni motori dolazi otuda što se kreću u vidu niza diskretnih uglova pomeraja -
koraka. Kako se brojem ovih koraka može upravljati, to na taj način ostvarujemo i upravljanje
položajem i nije potrebna povratna sprega. Zato kažemo da se ovi motori koriste u otvorenoj
sprezi. S obzirom na to da se upravlja diskretnim pomeranjima, ovi motori su veoma pogodni
za sprezanje sa upravljačkim računarom.
Princip rada koračnih motora se može objasniti na osnovu slike 7.6. Kada se kroz
namotaje AA' propusti struja, tada kraj A postane južni pol elektromagneta. Rotor sa stalnim
magnetom će se tada postaviti tako da mu severni pol (N) bude naspram tačke A. Ako se sada
struja propusti kroz namotaje BB', a ostavi se da teče kroz AA', tada će A i B biti južni polovi.
Rotor će se sada obrnuti za 45° i postaviti tako da severni pol bude između A i B. Sada se
isključuje struja u namotajima AA', pa će se rotor obrnuti još za 45° da bi severni pol bio
naspram tačke B. Ovakav postupak se nastavlja dok se rotor ne obrne za pun krug. Tako
dobijamo obrtanje rotora sa korakom koji iznosi 45°. Korak se može smanjiti povećavanjem
broja polova na statoru.
Slika 7.6. Koračni motor sa korakom od 45o
Step motori predstavljaju elektromotore bez komutatora pri čemu se svi namotaji nalaze
na statoru. Rotor može biti sa permanentnim magnetima ili blok zupčanika od mekog
magnetnog materijala (step motor sa promenljivom reluktansom). Primena otvorene
upravljačke petlje je uobičajena kod ove vrste motora, iako se kod novijih tipova step motora
koristi povratna sprega koja se ostvaruje upotrebom senzora (npr. rezolver ili enkoder).
1. Step motori sa permanentnim magnetom
Koračni motori sa permanentnim magnetom imaju radijalni rotor sa permanentnim
magnetom i višefazno izvedeni elektromagnetni stator. Uzastopnim uključivanjem ili
okretanjem smera struja pojedinih statorskih faza ili njihovih kombinacija po određenom
redosledu, rezultantno magnetno polje statora skokovito se okreće u jednom ili drugom smeru.
Rotor sa permanentnim magnetom se postavlja u smeru rezultantnog statorskog polja i na taj
način se obavlja koračna rotacija.
2. Step motori promenljive reluktancije
Reluktantni koračni motori imaju nazubljeni višefazni namotani (lameliran) stator i
nazubljen višepolni rotor od mekog gvožđa koji nije trajno namagnetisan. Koračni ugao αk
zavisi od broja zuba statora i rotora, kao i od načina motanja statorskih namotaja (faza) i od
načina njihove pobude. Ovi motori imaju koračne uglove (uglove koraka) od 15°, mali moment
inercije rotora i veoma brz odziv, što za posledicu ima mali moment inercije radnog predmeta.
87
Princip funkcionisanja ove vrste motora identičan je principu funkcionisanja BLDC
motora (motora jednosmerne struje bez četkica). Prednost koračnih motora sa promenljivom
reluktansom u odnosu na BLDC motore je što koračni motori mogu dugo da stoje u nekom
položaju bez pregrevanja.
Okretanje rotora se postiže napajanjem pojedinačnih namotaja statora, kada dolazi do
stvaranja magnetnih polova statora koji privlače metalne zube rotora, pri čemu se rotor pomera
za jedan korak. Naizmeničnim napajanjem namotaja statora dolazi do rotacije rotora (Slika 7.7).
Slika 7.7. Primer okretanja reluktantnog motora sa jednopaketnim statorom u smeru
kazaljke na satu
3. Hibridni step motori
Hibridni step motori su kombinacija step motora sa permanentnim magnetom i
promenljivom reluktansom. Sastoje se od nazubljenog statora sa namotajima i nazubljenog
metalnog rotora sa permanentnim magnetima. Na ovaj način se postižu dobra svojstva
promenljive reluktanse i permanentnog magnetnog polja. Zubi su najčešće istoimeni
permanentni magneti a ponekad su i bez pobude.
Ovaj tip koračnih motora je najprecizniji i sa najboljim performansama, od pomenute tri
vrste, ali je i najskuplji. Ovi motori ostvaruju manje koračne uglove (uglove koraka) i odlični
su za primenu u aplikacijama gde je potreban visok stepen ponovljivosti, veliki moment i
brzine, a male gabaritne dimenzije motora.
7.1.5 Linearni električni motori
Linearni električni motor je tako izveden da ima razmotan stator i umesto rotora
poseduje klizač koji klizi iznad statora, tako da umesto obrtnog momenta (rotacije) proizvodi
silu duž svoje dužine (pravolinijsko kretanje). Rotor rotacionog motora se obrće oko svoje ose i
stalno koristi iste statorske polove, dok se kod linearnog motora statorski namotaji postavljaju
dužinom konzole statora. Statorska konzola teoretski može da bude beskonačno dugačka, kao
što je slučaj kod elektromagnetnih brzih pruga koje koriste ovaj način za proizvodnju linearnog
kretanja za pokretanje kompozicije voza. Pošto linearni motor u praktičnoj realizaciji uglavnom
ima ograničenu dužinu statora, na krajevima hoda javljaju se ivični efekti (eng. end-effect).
Princip rada linearnih motora zasniva se na delovanju elektrodinamičke sile
(Lorencovom zakonu). Lorencov zakon, određuje silu koja deluje na pokretna naelektrisanja
(struju) u magnetnom polju.
Na slici 7.8. prikazan je presek linearnog motora sa permanentnim magnetima u
reakcionoj ploči („rotoru“) i namotajima u statoru koji indukuju elektromagnetno polje. Ovaj
88
linearni sinhroni motor se sastoji od reakcione ploče koja je na klizaču i sadrži niz stalnih
magneta sa jedne strane i statora sa namotajima koji proizvode elektromagnetno polje sa druge
strane. Reakciona ploča klizi („leti“) iznad statorske konzole usled delovanja stalnog
magnetnog polja reakcione ploče i magnetnog polja indukovanog pomoću statorskih namotaja.
Položaj klizača se kontroliše promenom električne struje kroz statorske namotaje. Princip rada
je sličan principu rada rotacionih motora bez četkica. Ova konfiguracija dozvoljava da se na
statorskoj konzoli istovremeno pokreće više nezavisnih klizača (reakcionih ploča), naravno
ukoliko je to podržano od strane upravljačkog sistema koji kontroliše statorske namotaje.
Slika 7.8. Presek linearnog motora sa permanentnim magnetima u reakcionoj ploči
7.2 Mehanički aktuatori
Pretvaranje rotacionog kretanja u linearno (pravolinijsko) vrši se posredstvom
mehaničkih prenosnika. S obzirom na konstrukciju mehanički prenosnici za pretvaranje
rotacionog kretanja u linearno se mogu podeliti na:
1. mehaničke prenosnike sa navojnim vretenom i navrtkom,
2. mehaničke prenosnike sa zupčanikom i zupčastom letvom i
3. mehaničke prenosnike sa remenim kaišem i remenicom (sajlom i koturom ili lancem i
lančanikom).
1. Mehanički prenosnik sa navojnim vretenom i navrtkom
Mehanički prenosnici koji rotaciono kretanje pretvaraju u pravolinijsko posredstvom
navojnog vretena i navrtke su jedni od najpreciznijih ali i najsporijih mehaničkih prenosnika.
Na slici 7.9. je prikazan primer mehaničkog prenosnika sa navojnim vretenom i
navrtkom. Elektromotor, ili drugi aktuator koji proizvodi rotaciono kretanje, je preko spojnice
pričvršćen za navojno vreteno koje se obrće oko svoje ose. Navojno vreteno je na svojim
krajevima uležišteno, uglavnom kotrljajućim ležajevima, koji onemogućavaju uzdužno
pomeranje. Na navojno vreteno je navrnuta specijalna navrtka koja je u sklopu sa klizačem koji
treba da vrši translatorno kretanje.
89
Slika 7.9. Mehanički prenosnik sa navojnim vretenom i navrtkom
2. Mehanički prenosnik sa zupčanikom i zupčastom letvom
Mehanički prenosnici koji rotaciono kretanje pretvaraju u pravolinijsko posredstvom
zupčanika i zupčaste letve su manje precizni od mehaničkih prenosnika sa navojnim vretenom i
navrtkom, ali obezbeđuju veću brzinu lineranog kretanja na istom broju obrtaja motora koji
služi kao pogonski element.
Na slici 7.10 je prikazana mehanički prenosnik sa zupčanikom i zupčastom letvom. Na
vratilo elektromotora koji proizvodi rotaciono kretanje pričvršćen je zupčanik koji se obrće
zajedno sa vratilom elektromotora. Svojim obrtanjem zupčanik pomera zupčastu letvu levo-
desno u zavisnosti od smera rotacije. Zupčasta letva je pričvršćena na klizač koji klizi po
linearnoj vođici koja omogućava samo jedan stepen slobode kretanja, tako da se dobija linearno
kretanje uzduž te vođice.
Slika 7.10. Mehanički prenosnik sa zupčanikom i zupčastom letvom
3. Mehanički prenosnik sa remenim kaišem i remenicom (sajlom i koturom ili
lancem i lančanikom)
Mehanički prenosnici koji rotaciono kretanje pretvaraju u pravolinijsko posredstvom
remenog kaiša i remenice (sajle i kotura, ili lanca i lančanika) obezbeđuju najveću brzinu
lineranog kretanja, na istom broju obrtaja motora koji služi kao pogonski element, od sva tri
tipa mehaničkih prenosnika. Princip rada ove tri kombinacije mehaničkih elemenata je isti,
samo što se koristi druga kombinacija elemenata.
Na slici 7.11. je prikazan prenosnik sa remenim kaišem i remenicom. Na vratilo na
kojem je pogonska remenica priključuje se izlazno vratilo aktuatora koji proizvodi rotaciono
kretanje. Ukoliko je potrebno smanjivati broj obrtaja rotacionog aktuatora, između aktuatora i
remenice se dodaje dodatni reduktor obrtaja. Na pogonsku remenicu sa jedne strane i pasivnu
remenicu sa druge strane postavljen je remeni kaiš za koji je spojen klizač koji klizi na
linearnim vođicama.
90
Slika 7.11. Skica mehaničkog prenosnika sa remenim kaišem i remenicom
7.3 Pneumatski aktuatori
Pneumatski sistem je skup međusobno povezanih pneumatskih komponenti, čiji je
zadatak da mehaničku energiju pretvori u pneumatsku energiju, a zatim tu energiju u
odgovarajući rad. U opštem slučaju, pneumatski sistem sastoji se od kompresorske stanice,
pripremne grupe za vazduh, upravljačkih i izvršnih komponenti. Rad pneumatskog sistema
sastoji se u tome što kompresor mehaničku energiju pretvara u pneumatsku energiju (sabijen
vazduh), koji se dovodi izvršnim elementima koji pneumatsku energiju pretvaraju u rad.
Slika 7.12. Princip rada pneumatskog sistema
Elementi pneumatskih sistema su:
- elementi za proizvodnju i razvod vazduha, osiguravaju potrebne količine vazduha
pod pritiskom (kompresor, rezervoar i razvod);
- elementi za pripremu vazduha, obavljaju pripremu vazduha što uključuje čišćenje,
podmazivanje i regulaciju pritiska (filter, zauljivač i regulator pritiska),
- upravljački elementi, upravljaju tokovima energije i informacija (ventili),
- izvršni elementi, snagu vazduha pretvaraju u mehanički rad (cilindri i motori);
- upravljačko-signalni elementi, dobavljaju informacije o stanju sistema (senzori i
indikatori);
- uomoćni elementi, ispunjavaju različite dodatne funkcije (priključne ploče,
prigušivači buke);
Prednosti pneumatskih sistema su:
- sirovina (okolni vazduh) je uvek i slobodno na raspolaganju,
91
- vazduh se može skladištiti i transportovati u rezervoarima,
- vazduh je neosetljiv na promenu temperature, radijaciju, magnetna i el. polja,
- sigurnost, jer vazduh nije eksplozivan niti zapaljiv,
- ne zagađuje okolinu,
- nema povratnih vodova (ispuštanje u atmosferu),
- neosetljivost elemenata na preopterećenje i vibracije,
- trajnost i robusnost pouzdanih elemenata,
- jednostavna ugradnja elemenata,
- jednostavno održavanje uređaja,
- lako se postiže visoka brzina kretanja elemenata,
- visok stepen snage i mase elemenata itd.
Karakteristike pneumatskih sistema su:
- pritisak vazduha za napajanje je od 1-15 bara (uobičajeno 7 bara),
- pogonske temperature vazduha od -10 do 600C (maks. oko 200
0C),
- optimalna brzina strujanja vazduha 40 m/s,
- pomeranje elemenata – pravolinijsko i rotaciono,
- brzina cilindra – 1 do 2 m/s (maks. oko 10 m/s),
- maksimalna ostvariva sila oko 40 kN,
- maksimalna snaga oko 30 kW itd.
Pneumatski sklopovi i sistemi i grafički se predstavljaju pomoću pneumatskih šema,
koje se crtaju prema normi DIN/ISO 1219.
Neka pravila za crtanje simbola i šema:
- vod (cev za vazduh)
- spoj vodova
- rotaciona mašina
- ventil, izmenjivač
- mogućnost podešavanja
- sklop od više elemenata
- mimoilaženje vodova
- upravljački vod
- vratilo, osovina
- zglob na poluzi
92
Pneumatski aktuatori služe za pretvaranje energije komprimovanog gasa (u najvećem
broju slučaja vazduha pod pritiskom) u mehaničku energiju, odnosno u linearno ili rotaciono
kretanje.
Pneumatski aktuatori imaju dobre karakteristike u aplikacijama gde je potrebno linearno
kretanje, naročito ako se iskoriste prednosti proporcionalne pneumatike. Ovi aktuatori su
jednostavne konstrukcije i lako se održavaju i imaju dobar odnos snaga/masa radnog predmeta
koji se pomera.
Za razliku od električnih motora, pneumatski aktuatori mogu primeniti silu na fiksnoj
poziciji tokom dužeg vremenskog perioda bez negativnih posledica. Komprimovani vazduh je
lako dostupan u većini industrijskih okruženja. Kao i kod elektromotora, pneumatski aktuatori u
radu ne prljaju okolinu i mogu da deluju direktno na radni predmet. Vazduh je kompresibilan,
što znači da aktuator ne stoji uvek čvrsto u poziciji i može da postoji kašnjenje u odzivu, ovo je
jedan od nedostataka peumatskih aktuatora.
U pneumatske aktuatore spadaju:
- pneumatski cilindri,
- pneumatski motori i
- pneumatski ventili.
7.3.1 Pneumatski cilindri
Pneumatski cilindri služe za pretvaranje energije komprimovanog gasa u mehaničku
energiju, odnosno u pravolinijsko kretanje. Pneumatski cilindri se sastoje od pokretnih delova
(kao što su klip i klipnjača) i nepokretnih delova (kao što su kućište i priključci za pneumatska
creva koji služe za dovod/odvod pogonskog gasa).
Prema smeru delovanja dele se na:
- pneumatske cilindre jednosmernog i
- pneumatske cilindre dvosmernog dejstva.
1. Pneumatski cilindri jednosmernog dejstva
Kod pneumatskog cilindra jednosmernog dejstva, slika 7.13, vazduh pod pritiskom se
dovodi samo sa jedne strane klipa cilindra (postoji samo jedan priključak za dovod/odvod
vazduha u komoru cilindra). Posledica delovanja vazduha pod pritiskom samo sa jedne strane
klipa je da klip može ostvariti koristan rad samo pri kretanju u jednom smeru (tokom hoda za
koji koristi vazduh pod pritiskom), kretanje u suprotnom smeru (povratni hod, vraćanje u
početni položaj) klipa se ostvaruje dejstvom sile povratne opruge koja deluje sa druge strane
klipa, pri čemu priključak za dovod vazduha postaje priključak za odvod vazduha iz cilindra
(ispuštanje vazduha iz komore u atmosferu (spoljašnju sredinu)). Naime, kod pneumatskog
pogona, za razliku od hidrauličnog, radni fluid se ne vraća u rezervoar pa nema povratnog voda.
Sila opruge u cilindru je proračunata tako da se klip cilindra može vratiti u početni
položaj odgovarajućom brzinom, ali ne i da vrši neki rad. Hod cilindara jednosmernog dejstva
je ograničen zbog ograničenja u dužini opruge koja vraća klip u početni položaj. Sila kojom
deluje cilindar jednosmernog dejstva je određena prečnikom njegovog klipa.
93
Sl. 7.13. Pneumatski cilindar jednosmernog dejstva
Slika 7.14. Poprečni presek pneumatskog cilindra jednosmernog dejstva i simbol
2. Pneumatski cilindri dvosmernog dejstva
Kod pneumatskog cilindra dvosmernog dejstva (slika 7.15), za razliku od pneumatskog
cilindra jednosmernog dejstva, vazduh pod pritiskom se dovodi sa obe strane klipa cilindra.
(postoje priključci za dovod/odvod vazduha sa obe strane klipa). Posledica delovanja vazduha
pod pritiskom sa obe strane klipa je da cilindar može ostvariti koristan rad u oba smera (i u
povratnom hodu). Za pokretanje klipa dovodi se vazduh pod pritiskom u komoru s jedne strane
klipa, pri čemu se istovremeno sa druge strane klipa ispušta vazduh iz komore u atmosferu.
Nosivost cilindra (sila kojom deluje) je određena prečnikom klipa. Hod cilindra
dvosmenog dejstva je u teoriji neograničen, ali treba obratiti pažnju da ne bude preveliki, jer
zbog prevelike dužine klipnjače može doći do njenog savijanja (za velike hodove potrebno je
dodati vođice za klipnjaču).
Sl. 7.15. Pneumatski cilindar dvosmernog dejstva
Slika 7.16. Poprečni presek cilindra dvosmernog dejstva i simbol
94
7.3.2 Pneumatski motori
Pemumatski motori služe za pretvaranje energije komprimovanog gasa u mehaničku
energiju, odnosno u rotaciono kretanje.
a) Obratnje u jednom smeru b) Obrtanje u oba smera
Slika 7.17. Simbol pneumatskog motora
Prema konstrukciji pneumatski motori se dele na:
1. pneumatske klipne motore,
2. pneumatske krilne (lamelne) motore,
3. pneumatske motore sa zupčanicima i
4. pneumatske turbine.
Pneumatski motori služe uglavnom za pogon radnih mašina (bušilica, brusilica i sl.).
Mogu biti konstantne ili promenljive brzine obrtanja.
1. Klipni pneumatski motori
Klipni pneumatski motori se koriste u procesima gde je potrebno ostvariti veliku snagu,
velik početni obrtni moment i preciznu kontrolu brzine. Dele se na radijalne i aksijalne motore.
Klipni motori mogu da imaju od dva do šest cilindara postavljenih aksijalno ili radijalno u
odnosu na kućište. Izlazni obrtni moment se dobija kada pritisak vazduha deluje na klipove koji
se kreću naizmenično unutar cilindara. Snaga koju može da razvije klipni motor zavisi od
ulaznog pritiska, broja klipova, površine klipa, hoda i brzine klipova. Faktori koji ograničavaju
brzinu su inercija pokretnih delova (što je veći problem kod radijalnih nego kod aksijalnih
pneumatskih motora) i dizajn ventila koji upravlja dovodom i odvodom vazduha pod pritiskom
u/iz cilindara. Radijalni i aksijalni klipni motori imaju manu, a to je da se moraju povremeno
podmazivati.
2. Krilni (lamelasti) pneumatski motori
Kod krilnih pneumatskih motora rotacioni element predstavlja rotor sa prorezima koji je
montiran na pogonsku osovinu. U svaki prorez je postavljen pravougaoni klip (krilce) koji
može slobodno da klizi unutar proreza. Rotor i krilca su zatvoreni unutar kućišta čija je
unutrašnja površina pomerena u odnosu na osu pogonske osovine. Kada se rotor okreće, krilca
teže da izađu izvan proreza usled dejstva centrifugalne sile. Površina po kojoj se krilca kreću je
ograničena oblikom kućišta rotora. Ovaj motor funkcioniše na principu razlike površina. Kada
se vazduh pod pritiskom dovede na ulazni priključak, raspoređuje se jednako u svim pravcima.
Površina klipa na koju deluje vazduh utiče na smer rotacije rotora. Potencijalna energija
vazduha pod pritiskom prelazi u kinetičku energiju u obliku rotacionog kretanja i sile. Vazduh
čiji je pritisak umanjen izlazi u atmosferu. Osovina motora se povezuje sa uređajem koji
pogoni.
Krilini (lamelasti) pneumatski motor sastoji se od kućišta u kojemu je ekscentrično
smešten rotor s lamelama. Ulaskom vazduha on potiskuje lamelu što uzrokuje okretanje rotora.
Dolaskom na izlazni otvor vazduh izlazi, a u to vreme se puni nova komora i okretanje se
95
nastavlja. Brzina obrtanja se menja primicanjem i odmicanjem ose kućišta u odnosu na osu
rotora. Što je komora koja se puni veća, brzina obrtanja rotora je manja.
Slika 7.18. Krilni (lamelasti) pneumatski motor
3. Pneumatski motori sa zupčanicima
Kod motora sa zupčanicima, obrtni moment nastaje tako što vazduh pod pritiskom udara
u evolventu zuba dva međusobno uzupčena zupčanika, gde je jedan od njih čvrstom vezom
povezan sa osovinom motora. Ovi pneumatski motori se koriste kao pogonske mašine u
procesima gde je neophodno ostvariti veliku snagu u ograničenom prostoru, a pogodni su i za
rad u opasnim sredinama.
4. Pneumatske turbine
Turbine predstavljaju vrstu pneumatskih motora koji koriste vazduh koji udara u
lopatice turbine i polako pokreće osovinu motora. U toku rada vazduh visokog pritiska i male
brzine prolazi kroz mlaznicu stvarajući mlaz vazduha niskog pritiska i velike brzine. Mlaz
vahduha udara o rotor turbine stvarajući obrtni moment.
7.3.3 Pneumatski ventili
Pneumatski ventili služe za upravljanje (regulaciju) tokom kretanja vazduha pod
pritiskom. Prema funkciji koju obavljaju dele se na:
- pneumatske razvodnike,
- pneumatske nepovratne ventile,
- pneumatske ventile pritiska,
- pneumatske ventile protoka i
- pneumatske slavine.
1. Pneumatski razvodnici
Razvodnici predstavljaju vrstu ventila koji služe za usmeravanje toka vazduha pod
pritiskom između komponenti pneumatskog sistema. Razlikuju se prema broju položaja,
priključaka, načinu aktiviranja i konstrukciji.
Simboli razvodnika koji se koriste u pneumatskim šemama prikazuju njihovu funkciju.
Kvadratni simbol predstavlja razvodnik pri čemu je broj kvadrata jednak broju položaja (stanja)
u kojem razvodnik može da se nađe. Smer protoka vazduha pod pritiskom kroz razvodnik se
označava strelicama. Zatvoren vod se označava u obliku precrtanog voda.
96
Razvodnik može biti normalno otvoren (vazduh slobodno prolazi kroz razvodnik kada
on nije aktiviran odnosno kada se nalazi u početnom položaju) ili normalno zatvoren (vazduh
ne prolazi kroz razvodnik dok on ne bude aktiviran) u početnom položaju.
Slika 7.19. Klipni pneumatski razvodnik
Slika 7.20. Šema pneumatskog razvodnika i cilindra
2. Pneumatski nepovratni ventili
Nepovratni ventili predstavljaju ventile konstruisane tako da u jednom smeru propuštaju
vazduh pod pritiskom, dok u drugom ne. Zatvaranje ventila može da se ostvari kuglicom,
konusom, membranom. Nepovratni ventili mogu da se kombinuju sa prigušnim ventilima.
Slika 7.21. Nepovratni ventil sa mogućnošću mehaničkog otvaranja
3. Pneumatski ventili pritiska
Ventili pritiska se dele na regulatore pritiska, sigurnosne ventile i uslovno aktivirane
ventile. Regulatori pritiska služe da održe željeni pritisak u sistemu. Ulazni pritisak mora biti
97
veći od željenog pritiska na izlazu regulatora. Sigurnosni ventili osiguravaju da ne dođe do
prekoračenja pritiska u sistemu. Ako ulazni pritisak poraste iznad podešene vrednosti, dovodni
vod se spaja sa odzračnim vodom u sigurnosnom ventilu sve dok se ulazni pritisak ne vrati
podešenu vrednost. Uslovno aktivirani ventili pritiska imaju istu kontrukciju kao sigurnosni
ventili, ali se koriste u sistemima gde je za funkcionisanje nekog elementa potreban propisani
pritisak.
4. Pneumatski ventili protoka
Ventili protoka se koriste za regulaciju brzine vazduha pod pritiskom. Postoje prigušni
ventili sa konstantnim i promenljivim prigušenjem.
5. Pneumatske slavine
Slavine predstavljaju vrstu ventila koji služi za potpuno zatvaranje protoka vazduha pod
pritiskom kroz sistem (npr. radi remonta sistema).
7.4 Hidraulički aktuatori
Zadaci hidrauličkog sistem su pretvaranje, prenos i upravljanje hidrauličkom
energijom. Osnovni elementi tog sistema su: pumpa, radni fluid, cevovod, upravljački elementi,
hidraulički motor.
Slika 7.22. Pretvaranje energije u hidrauličkom sistemu
Energija pumpe se prilagođava potrebnoj energiji motora prigušivanjem pritiska fluida
ili regulacijom protoka. Potreban je i pogon pumpe koji je obično elektromotor, a ponekad i
dizel motor (npr. kod građevinskih mašina).
Za prikazivanje hidrauličkih sistema koriste se hidrauličke šeme, koje su normirane
odgovarajućim standardnim simbolima (slično kao i kod pneumatike).
Na slici je prikazana hidraulička šema jednog jednostavnog sistema za pogon cilindra u
oba smera. Glavni razvodnik cilindra je tzv. 4/3 razvodnik koji se aktivira električki, a centriran
je oprugama. U centralnom položaju protok pumpe preusmerava se preko razvodnika nazad u
rezervoar ulja.
98
Slika 7.23.Šema hidrauličkog sistema
Zbog zaštite pumpe od prevelikog pritiska ugrađuje se limiter pritiska. Nepovratni ventil
iza pumpe sprečava povratno strujanje ulja i pojavu preniskog pritiska. Filtar ulja postavlja se u
povratnu granu pre rezervoara, a paralelno njemu i nepovratni ventil. Nepovratni ventil proradi
pri odgovarajućem pritisku i na taj način štiti povratni vod od prevelikog pritiska zbog
začepljenja filtra. Kada razvodnik ima levi položaj klip cilindra ide u desno, a desni položaj
razvodnika znači da ulje pod poritiskom dolazi u desnu komoru cilindra i klip ide u levo.
Područja primene hidrauličnih sistema su:
- alatne mašine,
- građevinske i poljoprivredne mašine,
- drumska i šinska vozila,
- brodogradnja,
- avioindustrija,
- energetika,
- rudarstvo,
- vojna industrija itd.
Prednosti hidrauličkih sistema su:
- velike sile,
- velika gustina snage po zapremini,
- mala inercija,
- moguće pokretanje pod punim teretom;
- jednostavno i kontinualno podešavanje brzine, sile i momenta,
- moguće velike brzine,
99
- moguće ekstremno niske brzine,
- precizno pozicioniranje,
- jednostavna zaštita od preopterećenja,
- mogućnost akumulacije energije,
- jednostavno podmazivanje i odvođenje toplote,
- visoka pouzdanost u radu,
- visoka ekonomičnost u radu itd.
Nedostaci hidrauličnih sistema su:
- potrebno je generisati hidrauličku energiju,
- potrebni su povratni vodovi,
- relativno visoka cena uređaja i elemenata,
- specifičnost i preciznost izvedbe,
- ograničene brzine strujanja ulja,
- promena karakteristike ulja s temperaturom i pritiskom,
- relativno prljav pogon itd.
Hidraulični aktuatori služe za pretvaranje energije fluida pod pritiskom u mehaničku
energiju, odnosno u linearno ili rotaciono kretanje. Kao fluid najčešće se upotrebljava
mineralno ulje, ali kao pokretački energent mogu se koristiti i drugi fluidi (npr. voda).
Hidraulične aktuatore karakteriše: povoljan odnos sila/brzina i mogu se direktno
povezati sa radnim predmetom koji treba da pomeraju. S druge strane, upotreba hidrauličnih
aktuatora često dovodi pojave opasnih situacija na radnom mestu: radnici koji rade u blizini
hidraulične pumpe zahtevaju zaštitu sluha, a neretko se javlja curenju hidraulične tečnosti.
Hidraulični aktuatori se koriste na mestima gde se velike sile, brzine i ubrzanja, mali
jednolični pomaci, visoka tačnost pozicioniranja u međupoložajima itd. Hidraulični aktuatori se
koriste u vrlo širokom području primene, koje obuhvata: alatne mašine, poljoprivredne mašine,
šumarske mašine, građevinske mašine itd.
U hidraučine aktuatore spadaju:
- hidraulični clinidiri i
- hidraulični motori i
- hidraulični ventili..
7.4.1 Hidraulični cilindri
Hidraulični cilindri služe za pretvaranje energije fluida pod pritiskom u mehaničku
energiju, odnosno u pravolinijsko kretanje. Hidraulični cilindri se sastoje od pokretnih delova
(kao što su klip i klipnjača) i nepokretnih delova (kao što su kućište i priključci za dovod/odvod
fluida).
Princip rada hidrauličnih cilindara je isti kao i pneumatskih, s tim da se radni medijum
razlikuje (pneumatika – vazduh pod pritiskom, hidraulika – ulje, voda). Takođe, hidraulični
cilindri su jače konstrukcije, jer rade na pritiscima koji su mnogostruko veći od pritisaka u
pneumatskim cilindrima.
100
Pošto je radni medijum ulje (ili voda, itd.), pojavljuje se problem sa curenjem ulja kroz
zaptivače, pa je potrebno predvideti odvod tog ulja. Takođe, prilikom pražnjenja cilindra, ulje
mora da se odgovarajućim vodovima vrati u rezervoar sa uljem.
Prema smeru delovanja, dele se na:
- hidraulične cilindre jednosmernog dejstva i
- hidraulične cilindre dvosmernog dejstva.
1. Hidraulični cilindar jednosmernog dejstva
Kod hidrauličnog cilindra jednosmernog dejstva, slika 7.24, fluid pod pritiskom se
dovodi samo sa jedne strane klipa cilindra (postoji samo jedan priključak za dovod/odvod fluida
u komoru cilindra). Posledica delovanja fluida pod pritiskom samo sa jedne strane klipa je da
klip može ostvariti koristan rad samo pri kretanju u jednom smeru (tokom hoda za koji koristi
fluid pod pritiskom), kretanje u suprotnom smeru klipa (povratni hod, vraćanje u početni
položaj) se ostvaruje dejstvom sile povratne opruge koja deluje sa druge strane klipa, pri čemu
priključak za dovod fluida postaje priključak za odvod fluida iz cilindra.
Sila kojom hidraulični cilindar jednosmernog dejstva deluje na radni predmet je
određena prečnikom klipa i pritiskom fluida.
Slika 7.24. Hidraulični cilindar jednosmernog dejstva
2. Hidraulični cilindar dvosmernog dejstva
Kod hidrauličnog cilindra dvosmernog dejstva, slika 7.25., za razliku od hidrauličnog
cilindra jednosmernog dejstva, fluid pod pritiskom se dovodi sa obe strane klipa cilindra
(postoje priključci za dovod/odvod fluida sa obe strane klipa cilindra). Posledica delovanja
fluida pod pritiskom sa obe strane klipa je da klip može ostvariti koristan rad u oba smera
kretanja (i u povratnom hodu). Za pokretanje klipa dovodi se fluid pod pritiskom u komoru s
jedne strane klipa, pri čemu se istovremeno sa druge strane klipa odvodi fluid iz komore.
S obzirom na to da su površine sa klipne i klipnjačine strane različite, sila izvlačenja i
uvlačenja klipnjače će biti različite i zavisiće od pritiska radnog medijuma (fluida).
101
Slika 7.25. Hidraulični cilindar dvosmernog dejstva u oba položaja
7.4.2 Hidraulični motori
Hidraulični motori služe za pretvaranje hidraulične energije (energije fluida) u
mehaničku energiju (mehanički rad). Zavisno od kretanja radnog elementa dele se na:
- rotacone (obrtne) i
- translatorne.
Konstrukcija obrtnih hiraduličnih motora i pumpi je u osnovi identična, pa se uređaj
često može prema potrebi koristiti kao pumpa ili motor. Hidraulične pumpe služe za
pretvaranje mehaničke energije u hidrauličnu.
Hidraulični rotacioni motori se prema konstrukciji dele na:
- zupčaste
- krilne
- klipne
- i zavojne
Zupčasti hidraulički motori
Radna tečnost pod pritiskom ulazi u motor i deluje na spregnute zupce zupčanika, usled
čega se oni obrću. Gonjeni zupčanik povećava obrtni moment radnog zupčanika, koji se nalazi
na radnom vratilu koje izlazi van kućišta motora. Radno vratilo vrši obrtno kretanje čime je
dobijena mehanička energija, kojom može da se izvrši mehanički rad.
Zupčasti hidromotori rade na srednjim pritiscima, imaju veliki obrtni moment i dobar
stepen iskorišćenja. Jednostavne su konstrukcije, malih masa i dimenzija
Slika 7.26. Zupčasti hidraulički motor
102
7.4.3 Hidraulični ventili
Hidraulični ventili služe za upravljanje tokom kretanja fluida. Prema funkciji koju
obavljaju dele se na:
- hidraulične razvodnike,
- hidraulične nepovratne ventile,
- hidraulične ventile pritiska i
- hidraulične ventile protoka.
1. Hidraulični razvodnici
Razvodnici su upravljački elementi, koji utiču na kretanje radnog fluida. Zaustavljaju
ga, uspostavljaju ga ili mu menjaju smer.
Princip rada hidrauličnih i pneumatskih razvodnika je sličan kao i njihove oznake.
Možemo ih grupisati prema: broju položaja, broju priključaka, načinu aktiviranja, konfiguraciji
i konstrukciji. Prema funkciji koju treba da vrše razvodnici mogu imati dva, tri, četiri ili pet
priključaka kao i dva, tri ili četiri položaja. Razvodnici se kao i ostali elementi hidrauličnog
sistema crtaju u neutralnom položaju (položaj u kom nisu aktivirani). Prema konstrukciji
razvodnici se dele na:
- razvodnike sa uzdužno pokretnim klipom,
- razvodnike sa sedištem,
- razvodnike sa zakretnim klipom i
- razvodnike sa odbojnom pločom.
Klipni razvodnici. - Radni element klipnog razvodnika je klip najčešće cilindričnog
oblika, po kome je razvodnik i dobio ime. Klipni razvodnici mogu biti sa aksijalnim
(translatornim) i sa obrtnim kretanjem klipa. Kod aksijalnih klipnih razvodnika klip sa
prstenastim žljebovima je razvodni element koji svojim kretanjem u cilindru otvara i zatvara
priključke za dovod i odvod radne tečnosti.
Slika 7.27. Klipni razvodnik
Na slici vidimo sledeće delove klipnog razvodnika: telo razvodnika, prstenasti kanali,
upravljačka ivica, razvodni element – klip, opruga, mehanizam za aktiviranje. Klip (razvodni
element) je u srednjem (neutralnom položaju), čime su prstenasti kanali međusobno odvojeni pa
nema protoka, odnosno potisni vod (P) je zatvoren. Ako se klip pomeri udesno, ostvariće se
veza između kanala P i B, čime je omogućen prolaz radne tečnosti iz potisnog voda ka radnom
103
cilindru sa jedne strane klipa. Istovremeno se ostvaruje veza između kanala A i T (rezervoar),
čime je omogućen prolaz radne tečnosti iz radnog cilindra u rezervoar.
Aksijalni klipni razvodnici se najčešće koriste u praksi.
Karakteristike:
- pouzdanost u radu na svim pritiscima,
- složena konstrukcija i
- visoka nabavna cena.
Slika 7.28.
2. Hidraulični nepovratni ventili
Nepovratni ventili se koriste u slučaju kada u jednom smeru treba propustiti fluid pod
pritiskom, dok u drugom ne. Način funkcionisanja ovih ventila je isti kao kod razvodnika sa
sedištem. U hidrauličnim sistemima se najčešće koriste nepovratni ventili sa konusnim sedištem
jer imaju najbolje zaptivanje. Ugrađuju se na sledeći način:
- zajedno sa regulatorom protoka,
- na vodu koji izlazi iz pumpe da se fluid ne bi mogao vratiti u pumpu,
- u obilaznom vodu kod usisnog filtera i povratnog filtera da bi protok fluida bio
obezbeđen u slučaju zagušenja filtera,
- između pumpe visokog i niskog pritiska radi obezbeđenja protoka ako ne radi
pumpa niskog pritiska
- i oko regulatora protoka ako je neophodna regulacija protoka u oba pravca toka.
Nepovratni ventili mogu biti i hidraulično i elektro upravljani.
3. Hidraulični ventili pritiska
Ventili pritiska se koriste za regulaciju i upravljanje pritiskom fluida. Prema njihovoj
funkciji mogu se podeliti na:
- ventile za ograničenje pritiska,
- redosledne ventile i
- regulatore pritiska.
4. Hidraulični ventili protoka
104
Ventili protoka se koriste za regulaciju protoka fluida pod pritiskom u hidrauličnom
sistemu. Promena protoka fluida se vrši povećanjem ili smanjenjem površine kroz koju fluid
protiče. Kod izbora ventila potrebno je znati oblik i veličinu površine kroz koju fluid pod
pritiskom treba da protiče. Ventili protoka kod kojih su oblik i površina nepromenljivi su:
mlaznica i blenda. Ako su oblik i površina promenljivi onda se su to regulacioni ventili.
Hidraulični ventili protoka se dele na:
- prigušne ventile i
- regulatore protoka.
Leptir ventili se koriste za otvaranje, zatvaranje i ručno regulisanje protoka radne
tečnosti. Element za zatvaranje je u obliku diska, čijim zaokretanjem za 90 stepeni dolazi do
zatvaranja protoka. Zaptivni materijal, čija je uloga da obezbedi nepropusnost, obično se
izrađuje od sintetičkog kaučuka. Leptir ventil nalazi najveću primenu u sistemima za grejanje,
hlađenje i vodosnabdevanje i to u oblastima nižih pritisaka.
Slika 7.29. Leptir ventil
105
8. INDUSTRIJSKI ROBOTI IR (INDUSTRIAL ROBOT)
Industrijski roboti IR (Industrial Robot) su pored CNC sistema tipičan predstavnik
fleksibilno automatizovanih sistema. U osnovi između CNC i IR nema nekih značajnih razlika,
to su tehnički sistemi kod kojih se zadavanje radnih zadataka ostvaruje na osnovu programa
datog u numeričkom obliku. IR je programabilni sistem opšte namene, koji može da poseduje
neke antropomorfne karakteristike, a pre svega ruke. Programabilnost, ruke, zglobovi
omogućavaju IR široku primenu u industriji. Razlika između CNC i IR je samo u vrsti
aktivnosti koje izvode, a i ova razlika je sve manja.
Roboti menjaju budućnost industrije zamenjujući CNC (Računarsko numeričko
upravljanje) mašine. U prošlosti je najveći broj mašinskih proizvodnih pogona koristio
standardne mašinske operacije (obradne procese) pri kojima je svaka CNC mašina upravljana
standardnim programima. Tokom godina, javlja se sve veća konkurencija proizvođača i težnja
za postizanjem sve veće proizvodne fleksibilnosti. Navedeni zahtevi vodili su kupovini novih i
skupih CNC mašina. Roboti mogu predstavljati rešenje ovog problema iz sledećih razloga:
- Ukupna cena mašinskog robota je oko 30% niža u poređenju sa odgovarajućom
CNC mašinom;
- Robot može obaviti i manipulisanje proizvodom, što kod CNC mašine zahteva
posebnog operatera (čovek ili mašina – manipulator);
- Roboti mogu posedovati 6 stepeni slobode, što omogućuje dostizanje svih teško
dostupnih tačaka;
- Mogu biti postavljeni na baznu površinu, tako da vrše obradu pomerajući se duž
obratka (npr.: obrada lopatice vetrogeneratora, Sl. 8.1.)
Sl. 8.1. Obrada lopatice vetrogeneratora pomoću dva rotora koji se kreću po šinama
postavljenim na baznu površinu
Roboti su programabilni, multifunkcionalni manipulatori konstruisani da pomeraju
materijale, delove, alate ili posebne uređaje za obradu, pomoću različitih programskih kretanja,
a u svrhu ostvarivanja različitih zadataka.
Robot treba da poseduje tri osnovne karakteristike:
- Opštu namenu (da obezbeđuje niz nezavisnih različitih funkcija);
- Programabilnost (mogućnost programiranja, sekvenci, ponavljanja, donošenja
odluka itd.);
- Antropomorfnost (karakteristike slične čovekovim).
Navedene karakteristike treba da obezbede različite funkcije, kao što su: opsluživanje
mašina (materijalom, alatima itd.), različite vrste zavarivanja (tačkasto, kontinualno itd.),
farbanje (sprej), montažu delova i dr.
106
Zakoni robotike dati od njihovog tvorca Isaka Asimova (tri zakona plus nulti zakon)
danas se daju kroz tri zakona u nešto izmenjemom obliku:
1. Zakon – Robot ne sme naškoditi čoveku.
2. Zakon – Robot mora slušati ljudske naredbe, osim u slučaju kada su takve naredbe u
suprotnosti sa zakonom višeg stepena.
3. Zakon – Robot treba da štiti svoj integritet, osim kada je to u suprotnosti sa zakonom
višeg stepena.
Konfiguracija robota, a posebno industrijskih, razlikuje se u varijacijama oblika i
veličina, a na osnovu toga razlikuje se:
- Polarna (sferna) koordinatna konfiguracija, Sl. 8.2,
- Cilindrična koordinatna konfiguracija, Sl. 8.3.,
- Konfiguracija ljudske ruke, Sl. 8.4.,
- Dekartova (Cartesius) koordinatna konfiguracija, Sl. 8.5.
Sl. 8.2. Polarna (sferna) koordinatna konfiguracija
Sl. 8.3. Cilindrična koordinatna konfiguracija
107
Sl. 8.4. Konfiguracija ljudske ruke
Sl. 8.5. Dekartova (Cortesian) koordinatna konfiguracija
Važna karakteristika robota je broj stepeni slobode, koji predstavlja broj nezavisnih
kretanja koje uređaj može ostvariti, a koji se naziva i stepen mobilnosti. Primer robota sa pet
stepeni slobode kretanja prikazan je na sl. 8.6., a na sl. 8.7 robot sa šest stepeni slobode
kretanja.
Sl. 8.6. Robot sa pet stepeni slobode kretanja
108
Sl. 8.7. Robot sa šest stepeni slobode kretanja
8.1.1.1.1 Off-line programiranje (OLP)
Off-line programiranje je metod programiranja robota kod koga se robotski program
pravi nezavisno od stvarne robotske ćelije. Robotski program se potom prenosi na računar
samog industrijskog robota, na izvršenje. Kod off-line programiranja robotska ćelija je
predstavljena preko grafičkog 3D modela u stimulatoru. Današnje Off-line programiranje i
robotski stimulatori omogućavaju robotu da upotpuni i ostvari optimalne programske putanje i
da obavi specifične zadatke. Pri simulaciji robotskog programa mogu biti razmatrane: sve
robotske putanje i kretanja, mogućnosti dostizanja zadatih tačaka, mogućnosti sudara, tačnosti
dostizanja određenih tačaka i vremena svih ciklusa.
Off-line programiranje ne ometa proizvodni program robota, pošto je robotski program
sačinjen izvan tog proizvodnog procesa, odnosno na spoljašnjem računaru. Ovaj metod je
suprotan tradicionalnom On-line programiranju industrijskih robota.
Uobičajeni programski jezici, kao: Python, C++, Ruby, Matlab i dr., mogu se koristiti za
simulaciju i program bilo koga robota definisanjem robotskog post procesora.
Off-line programiranje je najbolji način za maksimalni povraćaj uloženog novca u
robotski sistem i njegove preporučene simulacione alate. Vreme usvajanja novih programa
može biti znatno smanjeno, sa nekoliko nedelja na nekoliko dana, omogućavajući robotizaciju
kratkoročnih proizvodnji.
8.1.1.1.2 Post procesor (PP)
Post procesor je jedinstven upravljač karakterističan za CNC mašine. Neke CNC mašine
kreću sa različitih pozicija ili zahtevaju dodatna kretanja između operacija.
Post procesor radi uz pomoć CAM softvera, obezbeđujući pravilni G – kod za određenu
konfiguraciju mašine.
Post procesor kontroliše format i sintaksu programa, razvijenog za kontrolni uređaj koji
upravlja mašinom (obično CNC ili robot).
Post procesor se koristi sa CAM (Computer Aided Manufacturing – računarski podržana
proizvodnja) za uspostavljanje G – koda, za određenu CNC mašinu.
Post procesor vrši izmenu učinka G – koda u cilju prilagođavanja određenoj mašini.
„Post“ se upotrebljava da označi složene stvari, kao što su sopstveni proizvodni mašinski jezici
109
različiti od G – koda ili M – koda. Post procesor može biti upotrebljen i za pokretanje (start)
mašine iz određene pozicije.
Post procesor se može koristiti kod CNC mašina za automatsku promenu alata, pri čemu
osigurava izbor pravog alata sa prave lokacije. Neki CNC uređaji povezani sa računarom
koriste serijsku, a neki paralelnu komunikaciju.
Post procesor ne utiče na navedene komunikacije, za razliku od mašinskih softvera.
8.1.1.1.3 Projekat COMET
Sa ciljem da roboti u potpunosti zamene konvecionalne alatne mašine, u koje se već
svrstavaju i CNC mašine, osnovan je konzorcijum COMET (COmponents and METhods) od 14
zemalja, od čega 8 iz Evrope. Cilj uključivanja i proizvodnje COMET-a je prilagodljiva
(fleksibilna) kontrola industrijskih robota, koja bi omogućila smanjivanje troškova i povećanje
preciznosti proizvodnje u fabrikama budućnosti. Projekat započet 2012. godine sa planiranim
trajanjem od 30 meseci, produžen je do danas. U nameri da roboti kompletno zamene
konvencionalne mašine alatke, uključujuči CNC, moraju se prevazići neke prepreke, tj. iznaći
rešenja od strane COMET-a. Princip rada COMET robotske ćelije prikazan je šematski Sl. 8.8.
Sl. 8.8. Princip rada COMET robotske ćelije
1. Kinematika robota
Za razumevanje upotrebe robota u mašinskim operacijama neophodna je izrada
kinematskog modela, kao i obavljanje određenih merenja. Sa kinematskim modelom možemo:
analizirati sile nastale tokom obrade, kao i samo kretanje robota, ustanoviti mogući nastanak
vibracija i konačno, pronaći najbolju prilaznu putanju zadatoj poziciji. Roboti su mnogo
osetljiviji u poređenju sa CNC mašinama, zbog svoje konfiguracije (zglobovi, imitacija ljudske
ruke), posebno na sile obrtnih momenata, a što lako može dovesti do smanjenja tačnosti obrade.
2. Autoprogramski softveri
Kod CNC mašina razrađeno je bezbroj programskih jezika koji nisu dovoljno fleksibilni
za primenu kod robota. Iz tog razloga COMET nudi specijalni softver koji operater može razviti
i automatski uneti u čitav operacioni program obrade robota, bez neophodnih znanja o
robotima. Softver omogućava pristup boljem izboru putanje, lokacija i rešavanja svih problema
u vezi sa podešavanjem: osa, ugaonih brzina ili kretnja izvan omotača robota.
110
3. Praćenje robotske putanje
Tačnost putanje robotskog manipulatora je veoma važna za krajnju tačnost proizvoda,
posebno u slučajevima većeg broja zglobova, kao i sila uzrokovanih procesom obrade. Zbog
toga je u COMET-u razvijen i predviđen sistem kamera, koji merenjem frekvencijom od 1000
Hz omogućava izračunavanje odstupanja zadate putanje od stvarne, kao i odstupanja brzina,
ubrzanja i usporenja. Odstupanja se unose u kontroler COMET robota u cilju otklanjanja
odstupanja, pomoću posebnog kompenzacionog mehanizma.
4. Visoko dinamički kompenzacioni mehanizam (HDCM)
U okviru COMET-a razvijen je i unapređuje se specijalni mehanizam za samo (auto)
korekciju, nazvan HDCM (High Dynamics Compensation Mechanism), koji u sistemu robotske
ćelije ostvaruje tačnost od < 50 μm. HDCM se ugrađuje na zadnjoj osi robota ili na nekoj
njegovoj nepokretnoj površini. Podaci za korekciju primaju se od sistema za praćenje, a
korekcija kretanja vrši se u 3D.
111
9. SISTEMI AUTOMATSKE REGULACIJE I UPRAVLJANJA RADOM
GREJANJA
Mere kojima se mogu poboljšati energetska svojstva tehničkih sistema u zgradi (sistema
grejanja, hlađenja, ventilacije i klimatizacije, pripreme sanitarne tople vode i osvetljenja), a
time i energetska efikasnost zgrada, su:
- poboljšanje energetskih karakteristika sistema grejanja, hlađenja, ventilacije i
klimatizacije i pripreme sanitarne tople vode;
- poboljšanje energetskih karakteristika sistema potrošnje električne energije
(sistema osvetljenja, električnih uređaja i drugih potrošača električne energije);
- poboljšanje energetskih karakteristika specifičnih podsistema (kuhinje, vešernice i
td.);
- korišćenje obnovljivih izvora energije za proizvodnju toplotne i/ili električne
energije;
- zamena energenta (izvora energije) i korišćenja alterativnih sistema snabdevanja
energijom;
- korišćenje otpadne toplote i prirodnog provetravanja;
- korišćenje centralnog sistema automatske regulacije i upravljanje radom tehničkih
sistema u zgradi;
- korišćenje sistema automatske regulacije i upravljanje radom tehničkih sistema;
- poboljšanje sistema vodosnabdevanja i potrošnje sanitarne tople i hladne vode;,
- poboljšanja održavanja tehničkih sistema itd.
1. Korišćenje centralnog sistema automatske regulacije i upravljanje radom
tehničkih sistema u zgradi
Korišćenje centralnog sistema automatske regulacije i upravljanje radom tehničkih
sistema u zgradi podrazumeva korišćenje opreme, softvera i inženjerskih servisa za automatsku
kontrolu, nadzor, optimizaciju, intervencije i upravljanje tehničkim sistemima u zgradi, a u cilju
obezbeđivanja energetski efikasnog, ekonomičnog i sigurnog upravljanja radom tehničkih
sistema u zgradi. Integracija u jedinstveni centralni sistem automatske regulacije i upravljanja
radom tehničkih sistema u zgradi najčešće podrazumeva korišćenje opreme od istog
proizvođača ili različitih proizvođača, koja zadovoljava iste standarde automatizacije. Vrlo je
važno da oprema podržava opšte prihvaćene standarde za automatizaciju kao što su KNX,
LON, M-BUS, Ethernet. Na ovaj način sistem je proširiv, integrabilan, izmenljiv nezavisno od
proizvođača i dobavljača opreme.
2. Korišćenje sistema automatske regulacije i upravljanje radom tehničkih sistema
Korišćenje sistema automatske regulacije i upravljanje radom tehničkih sistema
omogućava, uz primenu povratne sprege, održavanje zadatih parametara rada tehničkih sistema
bez neposrednog učešća čoveka. Optimizacijom eksploatacija tehničkih sistema kroz uvođenje
sistema automatske regulacije i upravljanja radom grejanja, hlađenja, ventilacije i osvetljenja
uslovi komfora u prostorijama se održavaju na željenom nivou samo u periodu korišćenja
prostorija u zgradi.
Sisistemi automatske regulacije i upravljanje radom tehničkih sistema obuhvataju:
112
- sisteme automatske regulacije i upravljanje radom grejanja, hlađenja, ventilacije i
klimatizacije i
- sisteme automatske regulacije i upravljanje radom osvetljenja.
Sistemi automatske regulacije i upravljanje radom grejanja
Osnovni cilj planiranja sistema grejanja jeste da se postigne odgovarajući nivo komfora
i pogodnosti uz što manju potrošnju energije. Da li će se kao primarni izvor toplote koristiti
drvo, pelet, ugalj, gas, lož ulje, električna energija, solarna energija, energija okoline ili neka
kombinaciju ovih izvora to zavisi od korisnika. Kriterijum za odabir tipa grejanja jeste cena
energenta i to ne trenutna cena već trend kretanja cene u proteklih nekoliko godina kao i
predviđeni trend u narednih nekoliko godina.
Noviji načini grejanja najčešće su kombinovani sa više izvora toplote, na primer:
toplotna pumpa sa električnim kotlom, gasni kotao sa električnim kotlom, gasni kotao sa
kotlom na drva, toplotna pumpa sa solarnim panelima itd. Hidraulička instalacija
kombinovanog sistema grejanja kao i regulacija složeni su i skupi, ali pružaju nezavisnost u
korišćenju energenta. Energentima se u poslednje vreme dosta menja cena, a postavlja se
pitanje i raspoloživosti u grejnoj sezoni. To je jedan od osnovnih razloga zašto se u
kombinovanim sistemima grejanja pored primarne energije (uglja, drva, električne energije,
gasa, mazuta) koriste obnovljivi izvori pomoću toplotnih pumpi i solarnih panela.
Sistem grejanja i pripreme sanitarne tople vode u opšem slučaju sadrži:
1. izvor (generator) toplote (kotao, toplotnu pumpu, solarne kolektore, daljinski
sistem grejanja i sl.)
2. sistem distribucije toplote (cevi, ventile, razdelnike, davače, filtere itd.)
3. potrošače odnosno grejna tela (podne i zidne panele, radijatore, ventilator
konvektore itd.)
4. sistem za automatsku regulacija i upravljanje radom grejanja na nivou generatora
toplote, distribucije i potrošača
Na slici 9.1. je prikazana šema tipične instalacije za radijatorsko i podno grejanje i
pripremu sanitarne tople vode. Šema sadrži samo elemente bitne za regulaciju temerature.
Instalacija sa slike ima 5 pumpi i 3 trokraka mešna ventila. Te pumpe i ventile treba nekako
pokrenuti, ali ne bilo kako već, prema unapred definisanim kriterijumima i algoritmima.
Slike 9.1. Šema tipične instalacije za radijatorsko i panelno grejanje i pripremu sanitarne
tople vode; 1 - kotao, 2 - davač spoljašnje temperature, 3 - rezervoar sanitarne tople vode sa
recirkulacijom, 4 - grejni krug za radijatore, 5 - grejni krug za podno i/ili zidno grejanje
113
Veoma je važno da je instalacija dobro izvedena u hidrauličkom smislu. Čak najbolji
sistem regulacije ne može upravljati loše izvedenom instalacijom (u hidrauličkom smislu)!
Klimatski uslovi okoline svakako utiču na raspoloženje i kvalitet života ljudi. Veći deo
dana ljudi provode u zatvorenom prostoru na poslu, kod kuće i u prevozu. Zbog toga je
poželjno da klimatski uslovi u zatvorenom prostoru budu prilagođeni ljudskom telu.
Osećaj komfora se postiže kada su temperatura, vlažnost i kretanje vazduha kao i
temperatura zidova izbalansirani prema odeći i aktivnosti čoveka. Čovek ima svoj sistem
regulisanja temperature koji kada se preoptereti daje osećaj nekomfora i nelagodnosti, a može
biti i uzrok bolesti.
Jedan od razloga uvođenja sistema za automatsku regulaciju i upravljanje radom
grejanja i klimatizacije jeste potreba da se stvore optimalni uslovi u prostoru da se biološki
sistem regulisanja ne dovede u zasićenje. Drugi razlog je to što svaki čovek ima drugačiji
biološki sistem regulacije temperature, jer je osećaj ugodnosti karakteristika čoveka kao
pojedinca.
Potrebna količina toplote za grejanje jedne prostorije nije uvek ista i zavisi od spoljašnje
temperature, uticaja vetra, sunčevog zračenja, unutrašnjih izvora toplote itd. Usklađivanje
učinka grejnih tela i kotla u skladu sa promenljivom potrebom toplote se rešava sistemom za
automatsku regulaciju i upravljanje radom grejanja.
Kroz svoju ulogu ostvarivanja željenih temperatura u prostorijama sistemi za
automatsku regulaciju i upravljanje radom grejanja doprinose i smanjenju potrošnje energije za
grejanje.
Tokom rada centralnih sistema grejanja, zbog promene klimatskih uticaja (prevashodno
temperature spoljnog vazduha i brzine vetra) toplotne potrebe se stalno menjaju. Isporuka
toplote iz kotla stalno mora da se prilagođava trenutnim toplotnim potrebama potrošača.
Toplotne potrebe se menjaju i u toku dana i u toku grejne sezone. Postavlja se pitanje: Kako
sistem centralnog grejanja treba da prati te potrebe?
Kada je reč o sistemu za automatsku regulaciju i upravljanje radom grejanja, treba
razmotriti mogućnosti:
- regulacije rada kotla,
- regulacije rada kotla + zonske regulacije,
- regulacije rada kotla + sobne regulacije,
- regulacije rada kotla + zonske regulacije + sobne regulacije,
- regulacije rada kotla + zonske regulacije + sobne regulacije + integracija u
jedinstveni centralni sistem za automatsku regulaciju i upravljanje.
Koji će se sistem za automatsku regulaciju i upravljanje radom grejanja izabrati zavisi
od načina grejanja, nivoa komfora i vremena otplate.
Sistemi automatske regulacije i upravljanje radom grejanja omogućavaju:
- centralnu regulaciju temerature (regulacijom rada kotla, ugradnjom cirkulacionih
pumpi sa promenljivim brojem obrtaja i ugradnjom motornih ventila za regulaciju
rada kotla), čime se smanjuje pregrevanje prostorija (za 1oC viša temperatura
unutrašnjeg vazduha dovodi do povećanja potrošnje toplote za oko 6%);
- zonsku regulaciju temperature, kod zgrada sa više zona i različitih režima korišćenja
(regulacijom temperature vode u razvodima grejnih krugova);
114
- lokalnu regulaciju temperature (regulacijom temperature u prostorijama, ugradnjom
termostatskih radijatorskih ventila ili ugradnjom sobnih kontrolera sa
programatorom);
9.1 Centralna regulacija temperature
9.1.1 Centralna regulacija temperature vode u kotlu regulacijom
sagorevanja goriva u kotlu
Kod niskotemperaturnih kotlova regulatori temperature vode održavaju njenu
temperaturu i služe kao graničnici gornjih vrednosti. Ako se radi o dvopoložajnoj regulaciji, pri
prekoračenju gornje ili donje postavljene granične vrednosti dovođenje toplote se isključuje,
odnosno uključuje. Tropoložajni regulatori dopuštaju tri različita stepena uključivanja, npr.
isključeno, uključeno s nižom temperaturom i uključeno s višom temperaturom.
Savremeni kotlovi imaju kontinualno upravljanje kapacitetom kotla u skladu sa
opterećenjem. Plamenik pri tome ne radi u režimu uključeno/isključeno, već se njegov učinak
menja u skladu sa opterećenjem. Sistem regulacije na osnovu zadate i merene temperature
razvoda iz kotla reguliše sagorevanje goriva i samim tim štedi energiju, slika 9.2.. Kod kotlova
na tečno i gasovito gorivo to se najčešće postiže regulisanjem sagorevanja na gorioniku. Kod
čvrstih goriva reguliše se protok svežeg vazduha (najčešće je to mehanički regulator promaje).
Slike 9.2. Centralna regulacija temperature vode u kotlu
Željena temperatura u razvodu može da se menja prema spoljašnjoj temperaturi na
osnovu krive grejanja. Ovu vrstu regulacije imaju najčešće moderniji kotlovi sa digitalnom
upravljačkom jedinicom.
Karakteristike regulacije temperature vode u kotlu su:
- regulacija temperature prema spoljašnjoj temperaturi ili prema sobnom senzoru;
- ograničenje minimalne temperature vode u kotlu;
- podesiva dinamička razlika temperatura polaznog i povratnog voda za uključivanja
kotla;
- automatski rad leto/zima;
- zaštita od smrzavanja;
- upravljanje cirkulacionim pumpama;
- regulacija temperature sanitarne tople vode uključenjem plamenika i pumpe
rezervoara sanitarne tople vode;
115
- mogućnost odabira paralelnog rada pumpi grejanja i rezervoara sanitarne tople vode
itd.
9.1.2 Regulacija temperature u razvodu grejnog kruga prema spoljašnjoj
temperaturi
Veoma efikasan način postizanja komfora, naročito kada zgrada nema regulaciju
temperature u prostorijama, jeste ako se temperatura vode u grejnim telima menja u zavisnosti
od spoljašnje temperature. Polazni podaci za projektovanje sistema grejanja su toplotni gubici
objekta, a na osnovu spoljašnje projektne temperature. Na osnovu ovih podataka dimenzioniše
se sisitem grejanja: snaga kotla, protok, prečnik cevi, broj rebara radijatora, površina grejnih
panela itd. Svaki grad u Srbiji ima definisanu spoljašnju projektnu temperaturu, na primer za
Beograd je -12°C.
Neophodno je regulisati temperaturu u razvodu u odnosu na spoljašnju temperaturu
kako bi se zadovoljili kriterijumi komfora bilo da je spoljašnja temperatura -15°C ili +5°C. Kao
kriterijum za promenu temperature u razvodu u odnosu na spoljašnju temperaturu uvodi se
pojam kriva grejanja. Donja tačka ove krive dobija se na osnovu temperature u prostoriji kada
se sistem grejanja u letnjem periodu isključuje. Gornja tačka krive određuje se prema tipu
grejanja: radijatorsko, podno, zidno, konvektorsko itd.
Sistem regulacije u ovom slučaju treba da na osnovu zadate krive grejanja, spoljašnje
temperature i temperature u razvodu, a uz pomoć mešnog ventila reguliše temperaturu vode u
razvodu grejnog kruga. Potrebna je jedna kriva grejanja za radijatorsko, a druga za podno
grejanje.
Usled dnevnih i godišnjih promena u potrebama za toplotom potrošača u sistemu
daljinskog grejanja potrebno je uskladiti dinamiku isporuke toplote iz toplane. Centralna
regulacija količine toplote koja se isporuči u jedinici vremena može se ostvariti na sledeće
načine:
- Promenom temperature razvodne vode θr≠const, pri konstantnom protoku Q=const;
- Promenom protoka vode Q≠const, pri konstantnoj temperaturi razvoda θr=const;
- Kombinovano, promenom oba parametra θr≠const i Q≠const.
Prvi način regulacije omogućava smanjenje isporučene količine toplote snižavanjem
temperature razvodne i povratne vode, što je povoljno sa aspekta smanjenih gubitaka toplote u
transportu (cevovodu). Osim toga, pri održavanju konstantnog protoka povoljna je raspodela
toplote u sistemu (pod uslovom da je cevna mreža dobro izbalansirana) - svaki potrošač dobija
onu količinu toplote koja mu je potrebna, u skladu sa trenutnim gubicima. Po kliznom
dijagramu promene temperature razvodne vode u funkciji spoljne temperature i vetra vrši se
centralna regulacija toplotnog učinka. Nedostatak ovog načina regulacije je što kroz sistem
cirkuliše nepotrebno velika količina vode tokom cele sezone, pa su veći troškovi za pogon
cirkulacionih pumpi. Ovaj način regulacije se primenjuje kod nas i u velikom broju evropskih
zemalja.
Smanjenjem protoka vode takođe je moguće ispratiti smanjenje toplotnog konzuma.
Primenom ovog načina regulacije dolazi do smanjenja brzina strujanja cevovodu, pa je pad
pritiska usled trenja i lokalnih otpora manji, što dovodi do manjeg napora pumpe i značajno
manje potrošnje električne energije za pogon pumpi (električna snaga pumpe se menja sa trećim
stepenom u odnosu na promenu protoka). S druge strane, nedostatak ovakvog načina regulacije
su povećani gubici toplote u transportu.
116
Kombinovana regulacija promenom protoka i temperature razvodne vode je
najpovoljniji način regulacije - nedostaci prva dva načina su umanjeni.
9.1.3 Regulacija temperature u razvodu grejnog kruga za radijatorsko i
panelno grejanje
Na slici 9.3., je prikazan grejni krug za radijatore i grejni krug za podno i/ili zidno
grejanje. Temperatura vode u radijatorima najčešće je preko 50°C, a to je previše za podno i
zidno grejanje. U najboljem slučaju ta temperatura je neprijatna za korisnika, a postoji opasnost
i od vitoperenja i pucanja podnih i zidnih obloga. Sistem regulacije u ovom slučaju ima zadatak
da reguliše temperaturu vode u razvodu za radijatorksko i u razvodu za podno grejanje
nezavisno.
Slika 9.3. Regulacija temperature u razvodu grejnog kruga (za radijatorsko i panelno
grejanje)
9.1.4 Regulacija temerature sanitarne tople vode u rezervoaru
Zadatak sistema regulacije je da održi zadatu temperaturu u rezervoaru za sanitarnu
toplu vodu, slika 9.4. To radi uključivanjem pumpe, a na osnovu zadate i merene temperature u
rezervoaru.
Slike 9.4. Regulacija temperature sanitarne tople vode u rezervoaru
117
Postoji i recirkulaciona pumpa koja radi neprekidno ili sekvencijalno i to samo u
periodu dana kada postoji potreba za toplom sanitarnom vodom.
Pored ove dve funkcije, sistem regulacije treba da obezbedi i periodično ispiranje
cevovoda i rezervora vodom na tempearaturi preko 65°C kako bi se izvršila dezinfekcija.
9.2 Zonska regulacija temeratere
Kod zonske regulacije se regulišu pojedine zone sa sličnim karakteristikama toplotnog
opterećenja (npr. sever i jug iste zgrade). Zonska regulacija temperature se obično povezuje sa
lokalnom regulacijom temerature po pojedinim prostorijama.
9.2.1 Jednozonska regulacija temperature
Jednozonska regulacuja temperature podrazumeva da se regulacija vrši prema
referentnoj temperaturi celog objekta, s tim da se koriste termostatski radijatorski ventili, slika
9.5. Termostatski radijatorski ventili se najčešće izvode za direktnu montažu termostatske glave
na telo igličastog ventila. Međutim, mogu da budu izvedeni i tako da senzitivni element bude
kapilarnom cevčicom povezan sa pokretačem vretena ventila.
Slika 9.5. Različita izvođenja termostatskih ventila
9.2.2 Višezonska regulacija temperature
Kod višezonske regulacije temperature zgrada je podeljena na funkcionalne zone i za
svaka zonu se posebno reguliše temperatura. Kod višezonske regulacije temperature koriste se:
- upravljački ventili,
- zonski kontroleri i
- elementi za detekciju okupiranosti prostora (detekori pokreta i prisustva).
1. Upravljački ventili
Kao pokretači upravljačkih ventila koriste se:
- ON/OFF termoelektrični izvršni elementi,
- Proporcionalni termoelektrični izvršni elementi,
- Električni izvršni elementi - motorizovani pokretači.
118
ON/OFF termoelektrični izvršni elementi sadrže termo-ekspandirajući element, npr.
uložak sa voskom, koji se zagreva i širi kada se stavi pod napon. Prilikom nestanka napona
napajanja, element se skuplja i vraća u prvobitni položaj. Vreme otvaranja/zatvoranja ventila je
od dva do tri minuta. ON/OFF termoelektrični izvršni elementi koriste radne napone 230 V AC
ili 24 V AC/DC. Izvršni elementi se povezuju dvožilnim provodnikom. Raspoloživi su za tela
igličastih ventila do nazivnih mera 5/4". Ovi izvršni organi se koriste za realizaciju
dvonivovskih ili širinsko-impulsno-modulsanih algoritama upravljanja.
2. Zonski kontoleri
Zonski kontoleri imaju 4 režima rada, koji se međusobno razlikuju po 4 temperaturna
nivoa u režimima grejanja/hlađenja, a to su:
- komforni režim,
- stand-by režim,
- noćni režim i
- režim zaštite od smrzavanja/pregrevanja.
3. Elementi za detekciju okupiranosti prostora (detektori pokreta i prisustva)
Za detekciju okupiranosti prostora se koriste detektori pokreta i detektori prisustva, slika
9.6.
Slika 9.6. Zidni i plafonski detektori pokreta/prisustva
Najčešće, detektori pokreta i prisustva rade na principu detekcije infracrvene svetlosti,
tj. temperature tela. Polje detekcije je podeljeno u veći broj segmenata. Kretanje toplote tela iz
jednog segmenta u sledeći se detektuje kao pokret. Razlika između detektora pokreta i prisustva
je u rezoluciji segmenata. Segmenti detekcije kod detektora prisustva su manji zbog veće
rezolucije i zbog toga reaguju na manje pokrete osoba, slika 9.7.
Slika 9.7. Bolji pogled i pogled odozgo na područje osetljivosti plafonskog detektora
prisustva
119
9.3 Lokalna regulacija temperature (regulacija temperature po
prostorijama)
Maksimalna uštede i komfor se postižu upravo uvođenjem lokalne regulacije
temperature. Lokalna regulacija podrazumeva održavanje željene unutrašnje temperature
vazduha u pojedinim prostorijama u zgradi, slika 9.8. Zbog svojih međusobnih razlika u
orijentaciji, nameni, broju ljudi koji u njima boravi i dobitaka toplote od osvetljenja i drugih
električnih uređaja, prostorije koje se greju iz istog izvora toplote imaju različite potrebe za
isporučenom toplotom. Kada ne postoji lokalna regulacija toplotnog učinka, prostorije
orijentisane ka jugu i velikim dobicima od unutrašnjih izvora se “pregrevaju”, pa korisnici često
primenjuju “regulaciju” čestim provetravanjem otvaranjem prozora.
Slike 9.8. Različite željene temperature u prostorijama
Najčešći načini lokalne regulacije temerature su pomoću:
- sobnih kontrolera i
- radijatorskih ventila sa termostatskim glavama.
1. Sobni kontroleri
Sobni kontroleri mogu biti analogni i digitalni. Digitalni kontroleri se mogu integrisati
sa sistemom regulacije kotla i distribucije kao i sa drugim sistemima kućne automatike.
Uglavnom se sobni kontroleri nalaze na povoljnijim mestima u prostoriji nego što je to slučaj
radijatorskih ventila sa termostatskim glavama tako da je i regulacija temperature kvalitetnija.
Sistem regulisanja temperature sobnim kontrolerom najčešće čine, slika 9.9:
1. sobni kontroler ili termostat sa internim ili eksternim davačem temperature,
2. aktuator koji prima upravljanje od kontrolera i pretvara ga u signal za pokretanje
motornog pogona,
3. motorni pogon ventila na radijatoru ili na razdelniku panelnog grejanja,
120
Slike 9.9. Šema regulacije temperature u prostoriji sa sobnim digitalnim kontrolerima; 1 -
sobni temperaturni kontroler, 2 - aktuator motornih pogona, 3 - motorni pogoni termostatskih
ventila
Čest je slučaj da se motorni pogon kontroliše direktno sobnim kontrolerom i to su
uglavnom analogni termostati.
Sobni kontroler na osnovu željene i merene temperature vazduha u prostoriji generiše
upravljanje koje prosleđuje aktuatoru. Aktuator tu upravljačku veličinu pretvara u signal kojim
pokreće motorni pogon ventila.
Ako je pogon ON/OFF onda je signal takođe ON/OFF i taj tip upravljanja spada u
relejno upravljanje. Pečurka ventila može da bude u potpuno otvorenom ili potpuno zatvorenom
položaju. Ako je motorni pogon kontinualan onda je signal sa aktuatora kontinualan. Ovaj tip
upravljanja spada u kontinualno upravljanje i pečurka ventila zauzima međupoložaj prema
algoritmu upravljanja.
Ako je motorni pogon ON/OFF a vrednost upravljanja kontinualna, tada aktuator
vrednost upravljanja pretvara u širinski modulisani ON/OFF signal na vremenskoj bazi. Ovaj
tip upravljanja spada u širinski modulisano upravljanje (PWM – Pulse Width Modulation).
Sobni kontroleri omogućavaju korisniku da na jednostavan način promeni željenu
temperaturu i režim grejanja. Režim grejanja je zapravo predefinasana željena temperatura za
najčešće situacije u prostoru.
Sobni kontroleri najčešće imaju 3 do 4 različita režima:
- Komforni režim, se koristi kada u prostoriji borave ljudi, kod grejanja se uzima
najviši temperaturni nivo (npr. 22oC) i najniži temperaturni nivo za hlađenje (npr.
24oC).
- Prekomforni ili stand-by režim, se koristi kada se prostor ne koristi neko kraće
vreme i temperatura ovog režima je dovoljno niska da može relativno brzo da se
postigne komforni režim. Željena vrednost temperature za grejanje je malo niža (npr.
20oC), ako je kontroler u režimu hlađenja, željena vrednost temperature je nešto viša
(npr. 26oC).
- Noćni režim, se koristi noću ili ako se prostorija ne koristi duže vreme, željena
vrednost temperatura za grejanje se dodatno snižava (npr. 18oC), odnosno za
hlađenje dodatno povećava (npr. 28oC).
121
- Režim zaštite od smrzavanja/pregrevanja, se koristi da spreči zamrzavanje vode u
cevima sistema za grejanje kada se zgrada duže vreme ne koristi (u tom slučaju nije
preporučljivo da se potpuno isključi grejanje) na primer u vreme praznika ili
godišnjih odmora ili kada su otvoreni prozori, željena vrednost temperature se
smanjuje na npr. 7oC.
Režim zaštite od smrzavanja/pregrevanja kod kontrolera ima najviši prioritet, tj. nije
moguće preći u drugi režim, dok se ovaj ne deaktivira (npr. zatvore prozori). Komforni režim,
zatim, ima sledeći najviši prioritet, a potom noćni režim. Ako ni jedan od navedenih režima nije
aktivan, kontroler prelazi u stand-by režim. Prelazak između komfornog i stand-by može da se
vrši ili odgovarajućim tasterom na kontroleru u prostoriji ili signalom sa detektora prisustva.
Međutim, detektori prisustva nisu praktično rešenje kod sistema sa podnim ili panelnim
grejanjem, jer su vremenske konstante ovakvih sistema grejanja veoma velike.
Korišćenje režima pre svega ima za cilj da se štedi energija. Treba imati u vidu da ako
se smanji željena temperatura u prosotoriji za 1°C uštedeće se 6% energije. Ako se sa 25°C
smanji na 21°C ušteda je oko 25%!
Režimi grejanja mogu da se aktiviraju i prema kalendarskom rasporedu. Ovo je moguće
ako sobni kontroler ima ovu opciju, ili ako je integrisan sa centralnim računarom u podstanici
od kojeg prima informacije o režimu. Sobni kontroleri mogu da budu i deo pametne instalacije
sa vizuelizacijom pa na jednostavan način može da se podesi vremensko i kalendarsko
uključivanje režima za svaku prostoriju posebno.
2. Radijatorski ventili sa termostatskim glavama
Radijatorski ventili sa termostatskim glavama, slika 9.10., se često koriste za lokalnu
regulaciju temperature.
Slika 9.10. Radijatorski ventil sa termostatskom glavom
122
10. LITERATURA
[1] Mladen Popović, Senzori i merenja, Zavod za udžbenike i nastavna sredstva Srpsko
Sarajevo, 2004.
[2] Mladen Popović, Slobodan Lubura, Specijalni senzori i industrijska merenja,
Elektrotehnički fakultet, Istočno Sarajevo, 2013.
[3] Mladen Popović, Senzori tečnosti i gasova, Zavod za udžbenike i nastavna sredstva
Srpsko Sarajevo, 2003.
[4] Mladen Popović, Senzori u robotici, Viša elektrotehnička škola, Beograd, 1996.
[5] Predrag Duduković, Merni pretvarači, I deo, Elektrotehnički fakultet, Beograd,
1973.
[6] Predrag Duduković, Merni pretvarači, II deo, Elektrotehnički fakultet, Beograd,
1979.
[7] Dragan Stanković, Fizičko tehnička merenja – senzori, Univerzitet u Beogradu,
1997.
[8] Dragan Stanković, Aleksandra Đurišić, Fizičko tehnička merenja – senzori,
Laboratorijumski praktikum, Elektrotehnički fakultet, Beograd, 1996.
[9] Dragan Stanković, Zbirka zadataka iz fizičko-tehničkih i industrijskih merenja,
Naučna knjiga, Elektrotehnički fakultet, Beograd, 1990.
[10] Božo Ilić, Senzori i aktuatori, Visoka tehnička škola strukovnih studija,
Skripta, Novi Sad, 2016
123
11. PRIMER KOLOKVIJUMA
Da bi se položio Kolokvijum iz predmeta Elementi automatizacije potrebno
je od maksimalnih 50 osvojiti najmanje 30 bodova. U nastavku je naveden primer
kolokvijuma, crnim boldovanim slovima su označena pitanja, a crvenim slovima
odgovori.
1. Šta se podrazumeva pod pojmom automatizacija?
Pod pojmom automatizacija podrazumeva se uvođenje mašina i uređaja u neki proces
upravljanja, koji zamenjuju umni ljudski rad i pokrete, tako da se čitav proces upravljanja
odvija sam od sebe bez neposrednog učešća čoveka.
2. Šta se podrazumeva pod pojmom sistem automatske regulacije?
Pod pojmom sistem automatske regulacije podrazumeva se sistem sa negativnom
povratnom spregom, koji omogućava da se regulisana veličina y(t) automatski održava na
zadatoj (željenoj) vrednosti x(t) (ili da automatski prati promene zadate vrednosti regulisane
veličine x(t) prema unapred utvrđenom zakonu), čak i ako postoje neočekivani uticaji spoljnih
poremećaja na objekat upravljanja.
3. Šta se podrazumeva pod pojmom sistem automatskog upravljanja?
Pod pojmom sistem automatskog upravljanja podrazumeva se sistem bez povratne
sprege koji omogućava da se upravljana veličina y(t) automatski održava na zadatoj (željenoj)
vrednosti x(t) (ili da automatski prati promene zadate vrednosti upravljane veličine x(t) prema
unapred utvrđenom zakonu), samo ako postoje očekivani uticaji spoljnih poremećaja na objekat
regulacije.
4. Nacratati strukturnu blok-šemu sistema automatske regulacije (napisati nazive
svih elemenata i označiti sve fizičke veličine)
5. Objasniti princip rada sistema automatske regulacije!
Senzor pretvara trenutnu vrednost regulisane veličine y(t) u signal y1(t) koji se dovodi na
ulaz detektora signala greške, gde se poredi sa signalom zadate vrednosti regulisane veličine
x1(t). Kao rezultat tog poređenja na izlazu detektora signala greške se dobija signal greške:
e(t)=x1(t)-y1(t). Na osnovu veličine i znaka signala greške regulator generiše regulacioni signal
2
2
3
2
3
124
u(t), pomoću koga preko aktuatora deluje na objekat regulacije tako da signal greške svede na
nulu ili zanemarivo malu vrednost (odnosno da koriguje odstupanje stvarne od zadate vrednosti
regulisane veličine). Pošto je regulacioni sigal u(t) koga na svom izlazu generiše regulator male
snage, potreban je aktuator. Zahvaljujući velikom energetskom pojačanju aktuator na svom
izlazu daje postavnu veličinu u1(t) za neposrednu promenu toka energije ili materijala na
objektu regulacije kako bi se signal greške sveo na nulu ili zanemarivo malu vrednost: e(t)→0.
6. Šta je osnovni zadatak čvrste regulacije?
Osnovni zadatak čvrste regulacije jeste da se vrednost regulisane veličine y(t) održava
na zadatoj (podešenoj) vrednosti x(t), čak i ako postoje neočekivani poremećaji, ostvaruje se
kompenzacija uticaja poremećaja koji deluju na proces.
7. Šta je osnovni zadatak čvsledne regulacije?
Osnovni zadatak sledne regulacije jeste da vrednost regulisane veličine y(t) brzo prati
promene zadate vrednosti regulisane veličine x(t), čak i ako postoje neočekivani poremećaji.
Servomehanizmi su na neki način sinonimi za slednu regulaciju.
8. Kada se za računarski sistem kaže da upravlja procesima u realnom (stvarnom)
vremenu?
Za računarski sistem se kaže da upravlja procesima u realnom (stvarnom) vremenu onda
kada je u stanju da reaguje na spoljnje događaje u trenucima u kojima se oni dešavaju.
9. Šta se podrazumeva pod pojmom SCADA sistem?
Pod pojmom SCADA sistemom se najčešće podrazumeva računarom vođen nadzorno-
upravljački sistem, koji služi za nadzor i upravljanje celokupanim tehnološkim procesom
pomoću računara u realnom vremenu sa velike udaljenosti.
10. Šta predstavljanju statičke karakteristike elemenata SAR?
Statičke karakteristike elemenata SAR predstavljaju zavisnost izlazne od ulazne veličine
u stacionarnom (ustaljenom) režimu rada, odnosno kada se ulazna i izlazna veličina ne menjaju
tokom vremena:
y=f(x)
11. Šta predstavljau dinamičke karakteristike elemenata SAR?
Dinamičke karakteristike elemenata SAR predstavljaju zavisnost izlazne od ulazne
veličine u dinamičkom (nestacionarnomnom) režimu rada, odnosno kada se ulazna i izlazna
veličina menjaju tokom vremena:
y=f(x)
12. Šta je senzor?
Senzor je uređaj koji promenu merene fizičke veličine xF(t) najčešće neelektrične
(temperature, pritiska, pomeraja, vibracija, nivoa tečnosti, protoka fluida, sile, relativne
vlažnosti, dužine, broja obrtaja, brzine, ubrzanja, inteziteta svetlosti itd.) pretvara u promenu
neke druge fizičke veličine x'F(t) najčešće električne (otpornosti, kapacitivnosti, induktivnosti,
naelektrisanja, elektromotorne sile itd.) koja je pogodnija za dalja pretvaranja.
13. Šta spada u senzore temerature?
U senzore temperature spadaju: živini termometri, bimetalni merni pretvarači
temperature, termoparovi, otpornički merni pretvarači temperature od metala, otpornički merni
2
2
2
2
2
2
2
1
2
125
pretvarači temperature od poluprovodnika (termistori), optički pirometri, termografske kamere
itd.
14. Šta rade detektor signala greške?
Detektor signala greške (komparator, diskriminator) poredi signal sa izlaza pretvarača
zadate vrednosti regulisane veličine x1(t) i signal sa izlaza mernog pretvarača y1(t) i kao rezultat
tog poređenja na svom izlazu daje signal greške:
e(t)=x1(t)-y1(t)
15. Šta je osnovni zadatak regulatora?
Osnovni zadatak regulatora jeste da održava željeno stanje objekta regulacije, koje može
biti nepromenjivo u vremenu i promenjivo u zavisnosti od toga da li se menja zadata vrednost
regulisane veličine x(t).
16. Nacratati karakteristiku PID regulatora?
Slika Karakteristika PID regulatora
17. Kako se dele izvršni organi (akuatori) s obzirom na to koju vrstu energije
koristi za pogon pogonskih uređaja?
S obzirom na to koja se vrsta energije koristi za pogon pogonskih uređaja izvršni organi
(akuatori) se dele na: električne, mehaničke, hidarulične, pneumatske i njihove kombinacije.
18. Šta je prikazano na slici i objasniti njegov princip rada?
Slika Strukturna blok šema sistema automatske regulacije brzine obrtanja parne turbine
Da bi se napon generatora održao konstantnim potrebno je brzinu obrtanja parne turbine
turbine održavati konstantnom. Da bi se brzina obrtanja turbine održala konstantnom mora se
dovoditi konstantan protok pare na turbinu (ako nema smetnji). Na zupčanik je spojen
2
2
4
2
2
126
centrifugalni mehanizam. Kugle se zavisno od brzine obrtanja podižu ili spuštaju, te preko
poluge zatvaraju ili otvaraju prigušni ventil koji je smešten u cev kroz koju protiče para
određenog pritiska i temperature. Tako se kompenzuje uticaj smetnji i brzina obrtanja turbine
održava konstantnom. Ulogu senzora i detektora signala greške ima centrifugalni mehanizam
koji meri brzinu i reaguje na promenu brzine obrtanja turbine. Ulogu regulatora ima poluga.
Ulogu izvršnog elementa ima ventil.
19. Nacratati pneumatski cilindar jednosmernog dejstva i objasniti njegov princip
rada
Kod pneumatskog cilindra jednosmernog dejstva, vazduh pod pritiskom se dovodi samo
sa jedne strane klipa cilindra (postoji samo jedan priključak za dovod/odvod vazduha u komoru
cilindra). Posledica delovanja vazduha pod pritiskom samo sa jedne strane klipa je da klip može
ostvariti koristan rad samo pri kretanju u jednom smeru (tokom hoda za koji koristi vazduh pod
pritiskom), kretanje u suprotnom smeru (povratni hod, vraćanje u početni položaj) klipa se
ostvaruje dejstvom sile povratne opruge koja deluje sa druge strane klipa, pri čemu priključak
za dovod vazduha postaje priključak za odvod vazduha iz cilindra (ispuštanje vazduha iz
komore u atmosferu (spoljašnju sredinu)). Naime, kod pneumatskog pogona, za razliku od
hidrauličnog, radni fluid se ne vraća u rezervoar pa nema povratnog voda.
Sl. Pneumatski cilindar jednosmernog dejstva
20. Nacratati hidraulični cilindar dvosmernog dejstva i objasniti njegov princip
rada
Slika Hidraulični cilindar dvosmernog dejstva u oba položaja
Kod hidrauličnog cilindra dvosmernog dejstva, za razliku od hidrauličnog cilindra
jednosmernog dejstva, fluid pod pritiskom se dovodi sa obe strane klipa cilindra (postoje
priključci za dovod/odvod fluida sa obe strane klipa cilindra). Posledica delovanja fluida pod
pritiskom sa obe strane klipa je da klip može ostvariti koristan rad u oba smera kretanja (i u
povratnom hodu). Za pokretanje klipa dovodi se fluid pod pritiskom u komoru s jedne strane
klipa, pri čemu se istovremeno sa druge strane klipa odvodi fluid iz komore.
21. Šta su roboti?
Roboti su programabilni, multifunkcionalni manipulatori konstruisani da pomeraju
materijale, delove, alate ili posebne uređaje za obradu, pomoću različitih programskih kretanja,
a u svrhu ostvarivanja različitih zadataka.
Posebnu pažnju treba obratiti na pitanja koja su navedna u gornjem primeru
Kolokvijuma. Pored ovih pitanja treba obratiti pažnju i na sledeća pitanja?
2
4
3
127
1. Koje su veličine u sistemu automatske regulacije?
2. Koji su elementi sistema automatske regulacije?
3. Koji je osnovni nedostatak sistema automatske rgulacije?
4. Nacrtati strukturnu blok šemu sistema automatskog upravljanja?
5. Koja je razlika između sistema automatske regulacije i sistema automatskog
upravlajnja?
6. Koja su tri osnovna dela računarskog sistema za upravljanje procesima u
realnom vremenu?
7. Na koje se načine računar može povezati sa procesom?
8. Koje su mogućnosti SCADa sistema?
9. Šta je prikazano na slici i ukratko objasniti?
10. U čemu se sastoji matematičko opisivanje ponašanja elemenata sistema
automatske regulacije
11. Kako se formira matematički model?
12. Kakav treba da bude matematički model?
13. Koji su kontaktni pretvarači temperature i na kom principu rade?
14. Koji su beskontaktni pretvarači tempeture i na kom ptincipu rade?
15. Na kom principu rade živini termometri?
16. Kakvi su to PTC termistori?
17. Kakvi su to NTC termistori?
18. Kako se dele električni motori s obzirom na princip rada?
19. Nacratiti karakteristike P, I, D, PI i PID regulatora?
20. Kako se s obzirom na konstrukciju dele mehanički prenosnici za pretvaranje
rotacionog kretanja u linearno i objasniti njhov princip rada?
128
21. Šta je prikazano na slici i šta znače brojevi: 1- 2 -
3 -
23. Završiti započetu rečenicu?
Zonski kontoleri imaju 4 režima rada, koji se međusobno razlikuju po 4
temperaturna nivoa u režimima grejanja/hlađenja, a to su:
24. Završiti započetu rečenicu?
Komforni režim, se koristi kada
25. Završiti započetu rečenicu?
Prekomforni ili stand-by režim, se koristi kada
26. Koja je razlika između detektora pokreta i detektora prisustva?
27. Na slikama a) i b) su prikazani roboti sa koliko stepeni slobode kretanja?
a) b)
28. Šta je prikazano na slici i napisati nazive pojedinih delova na slici?