Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 18
Kontrolowane procesy dzieli się zgrubnie na samoregulujące - samostabilizujące się, całkujące i niestabilne. Każdy z tych procesów ma inne wymogi na regulacje.
Proces samostabilizujący się po podaniu mu na wejście skoku stopniowo ( także z zanikającymi oscylacjami) osiąga nową wartość ustaloną. Może być liniowy lub nieliniowy.
Przykładem procesu całkującego jest napełniany zbiornik czy odpowiedz prędkości nieobciążonego silnika prądu stałego ( lub składowa prądu Iq w silniku synchronicznym lub asynchronicznym zasilanym z invertera ) na wejściowy prąd. Jednak zbiorniki z odpływem staje się samoregulującym się obiektem inercyjnym podobnie jak silnik z obciążeniem.
Całkowanie wynika też ze związków fizycznych między wielkościami. Przyśpieszenie jest całką z impulsu. Prędkość jest całką z przyśpieszenia. Droga jest całką z prędkości.
Trywialnym laboratoryjnym modelem kontroli procesu niestabilnego jest odwrócone wahadełko. Regulator operuje silnikiem elektrycznym napędu wózka z „pionowym” prętem tak aby „wahadełko” stało pionowo. Sensorem katą może być potencjometr ale można też użyć żyroskopu lub innych sensorów.
Dwukołowy, jednoosobowy pojazd elektryczny Segway, zasilany z wbudowanego akumulatora, kieruje się przez przechylenie tułowia kierowcy w odpowiednią stronę. Zastosowano w nim właśnie ideę regulacji odwróconego wahadła. Nachylając się do przodu maszyna przyśpieszy zaś odchylając do tyłu przyhamuje aby stabilizować pionową pozycje transportowanego człowieka. Komputerek pokładowy z sensorem i napędem jest odpowiedzialny za utrzymanie równowagi. Pojazd rozwija prędkość do 20 km/h czyli jest cztery razy szybszy niż piechur. Pojazd mimo użyteczności nie zyskał popularności z racji bardzo wysokiej ceny.
Niestabilne są chemiczne procesy egzotermiczne mając wbudowane dodatnie sprzężenie zwrotne. Im wyższa jest temperatura tym szybciej przebiega samonapędzający się proces. Może dojść do stopienia się lub eksplozji lub w drugą stronę do wystygnięcia reagentów. Oczywiście lepiej jeśli sam fizyczny proces ma jakieś hamujące ujemne sprzężenie zwrotne.
Podwajanie się ilości neutronów w militarnej reakcji łańcuchowej w silnie ściśniętej „kuli” z Uranu 235 lub Plutonu 239 następuje mniej więcej co 2 ns i po 0.15 us materiał ulega całkowitemu rozpadowi.
Trudno jest kontrolować tak szybko przebiegającą reakcje łańcuchową. W pokojowym zastosowaniu wykorzystuje się fakt że dodatkowo po momentalnej reakcji rozpadu jądra w części rozpadów po znacznym czasie ( ca 2 sekundy ) następuje jeszcze emisja kolejnego opóźnionego neutronu. Dzięki temu jest możliwa regulacja mocy reaktora jądrowego metodą wsuwania przez serwomechanizmy regulacyjnych prętów do rdzenia reaktora lub awaryjnego zahamowania reakcji zalaniem wodą z kwasem borowym silnie pochłaniającym neutrony.
Zwiększanie się pod wpływem temperatury objętości wody jako moderatora w reaktorze jądrowym daje mu bardzo pożądany ujemny współczynnik reaktywności czyli namiastkę samoregulacji. Reaktor taki nigdy nie stanie się bombą jądrową. Dla odmiany radziecki reaktor kanałowy dużej mocy RMBK z moderatorem grafitowym miał z „wypalonym” paliwem obszar dodatniej reaktywności (!) w który nie wolno było wejść a nawet się do niego zbliżyć. Nigdzie w świecie poza ZSRR nie zezwolono na użycie tego typu reaktora. Zresztą katastrofy z reaktorem grafitowym miały miejsce w USA i w Wielkiej Brytanii.
Po zahamowaniu w reaktorze wodnym procesu rozpadu dużej mocy nadal trwa tam rozpad spontaniczny o początkowej mocy około 3% mocy nominalnej reaktora obniżającej się stopniowo do circa 0.5%. Oczywiście ciepło powyłączeniowe z reaktora trzeba odprowadzać czynnie lub biernie aby nie doszło do termicznego uszkodzenia koszulek paliwa a nawet stopienia rdzenia. Moc 3%->0.5% mocy nominalnej wydaje się niewielka ale moc cieplna największych reaktorów jądrowych przekracza 4500 MWt i moc powyłączeniowa jest duża.
W większości przypadków do pożaru i wybuchu ogniw Litowo - Jonowych dochodzi na skutek zwarcia w ogniwie gdy anoda dotknie katodę. Pożarowi sprzyja wysoka temperatura ( na przykład wskutek palenia się rozlanego paliwa ) lub przegrzania z powodu nieprawidłowego ładowania lub przeładowania. Gwałtowne zwiększanie się temperatury i stopienie separatora pomiędzy elektrodami podsyca dalsze niestabilne nagrzewanie się baterii. Wskutek wzrostu temperatury katoda emituje tlen, wchodzący w reakcję z organicznym elektrolitem, co prowadzi do zapłonu i/lub wybuchu baterii. Uszkodzone ogniwo inicjuje reakcję w kolejnych sprawnych ogniwach.
Już w jednej z starszych publikacji dotyczących porównania własności regulatorów samonastrajających się, zastosowano sensowne grupy miarodajnych dla praktyki przemysłowej modeli obiektów.
-Obiekt wieloinercyjny bez opóźniena
-Obiekt wieloinercyjny dyskretnie nieminimalnofazowy
-Obiekt inercyjny z tłumionymi oscylacjami
-Obiekt inercyjny z tłumionymi oscylacjami i opóźnieniem
-Obiekt nieminimalnofazowy czyli z początkową odpowiedzią w przeciwnym kierunku
-Obiekt całkujący z inercją
-Obiekt niestabilny oscylacyjnie czyli ze wzbudzeniem z początkową odpowiedzią w przeciwnym kierunku
-Obiekt niestabilny monotonicznie
Energetyka była jednym z pierwszych obszarów gdzie zastosowano przekaźnikową automatykę dyskretną a później regulatory ciągłe PI / PID, początkowo pneumatyczne. Energetyka cieplna, atomowa i wodna rozwijają się nadal ale już bardzo powoli.
Bogaty stan USA Kalifornia przodujący w „zielonej” energetyce ma większy PKB niż Francja. Niestabilna „zielona generacja” energii jest tam obecnie taka sama jak produkcja energii w ( dyspozycyjnych ) elektrowniach cieplnych opalanych gazem ziemnym a one takie same jak import z sąsiednich stanów. Zainstalowana w elektrowniach słonecznych moc sięga 14 GW natomiast dodatkowo drobni prywatni użytkownicy mają ogniwa fotowoltaiczne o mocy około10 GW. Pomocniczą rolę odgrywa hydroenergetyka o identycznej produkcji energii jak energetyka jądrowa.
Dopiero rozwijane przechowywanie w systemie energetycznym Kalifornii „zielonej” energii elektrycznej w ogromnych zestawach akumulatorów Litowo – Jonowych z dwukierunkowym inwerterem dołączonych do sieci dystrybucyjnej jest bardzo kosztowne. Na dzień 30.03.2021 roku akumulatory w systemie energetycznym Kalifornii mają pojemność energii ładującej około 1780 MWh. Oczywiście baterie w fazie rozładowania oddają mniej energii. W okresie szczytu rannego tego dnia baterie działające od godziny 6:05 do 10:40 dostarczyły do sieci 1443 MWh energii z mocą średnią 245 MW a chwilową ( za 15 minutowe okresy ) od 23 MW do 362 MW.
Zmodernizowane węglowe bloki energetyczne pierwotnej mocy 200 MW wybudowane dawno temu w PRL mają właśnie moc szczytowa 240 MW czyli przechowanie energii w Kalifornii dopiero raczkuje. Widać że problem przechowywania energii z „zielonej” generacji jest bardzo poważny i drogi w rozwiązaniu. W Kalifornii „akumulatorem” są też hydroelektrownie a problem szczytów energetycznych łagodzi potężny import energii z sąsiednich stanów. Mimo tego upadki systemu energetycznego są tam coraz częstsze.
„Zielony” wodór ( ale tez syntetyczne paliwa ) wyprodukowany z energii elektrycznej z fotoogniw i wiatraków to raczej melodia przyszłości. Według obliczeń koncernu Porsche jednostka energii w nim ( wyprodukowanie, przechowanie, transport... ) jest obecnie dwudziestokrotnie droższa ( sic !, bez podatków ) niż w benzynie !
W latach dziewięćdziesiątych XIX wieku centrum cywilizacji naukowo – technicznej przesunęło się z Europy do USA.
Dopiero gigantyczny wysiłek produkcyjny USA na rzecz II Wojny Światowej ostatecznie przełamał uparcie nawracający Wielki Kryzys. USA podwoiły swoją produkcje przemysłową tracąc zaledwie 403 tysiące ludzi w czasie wojny na wszystkich teatrach świata. W intencji elit Stany Zjednoczone miały wojnę wygrać w laboratoriach i halach fabrycznych. I tak się stało. USA udzieliły gigantycznej pomocy Wielkiej Brytanii i ZSRR. Na koniec lat czterdziestych USA wytwarzały 60% produkcji przemysłowej świata. Gigantyczny ciężar Zimnej Wojny ze strony zachodu ponosiły USA, Japonia i Niemcy. Dzięki polityce USA, Japonia i Niemcy Zachodnie odrodziły się jako światowe centra siły gospodarczej, które zalewały eksportem rynek amerykański. Bardzo wysokie płace w przemyśle USA, obiektywnie za wysokie w stosunku do produktywności, zniechęcały kapitał do inwestycji przemysłowych. Zakończenie Zimnej Wojny zdecydowanie przyspieszyło trwającą deindustrializacje USA a z drugiej strony zdemobilizowało starania w automatyzacji produkcji skoro w krajach do których przeniesiono produkcje siła robocza była bardzo tania.
Zmechanizowana a potem zautomatyzowana produkcja była konkurencją do drogiej ludzkiej siły roboczej. Czasem pozwala ona zwolnić ludzi z pracy w trudnych i niebezpiecznych warunkach. Ale w nowoczesnej produkcji często użycie ludzi jest niemożliwe i automatyzacja była i jest koniecznością. W wartym miliardy dolarów zautomatyzowanym zakładzie produkującym chipy układów scalonych miejsce pracy kosztuje miliony dolarów.
Do kosztu zakupu robota przemysłowego mającego zastąpić pracę ludzi, dochodzi koszt zakupu lub często indywidualnego wykonania kiści do chwytania, przenoszenia i puszczenia konkretnych przedmiotów oraz programu roboczego dla niego i koszt zintegrowania go z całą linią produkcyjną. Oczywiście bardzo silny jest efekt skali i w przypadku użycia setek robotów koszty w przeliczeniu na stanowisko robota są znacznie mniejsze niż przy pojedynczych robotach.
Zatem o automatyzacji decydują alternatywne koszty automatyzacji kontra koszty „płac” czy raczej większe koszta zatrudnienia pracowników.
Organa Unii Europejskiej obserwują wynagrodzenia w sektorach gospodarek krajów Europy i od nich pochodzą unikalne i bardzo użyteczne dane.
Płace generalnie najwyższe są w Szwajcarii a potem Norwegii. Na trzecim miejscu generalnie jest Irlandia tylko w dwóch sektorach wyparta przez Holandię.
Kolejność płac w sektorach:
-Finanse i ubezpieczenia
-Informacja i komunikacja ICT
-Górnictwo i wydobycie surowców
-Profesjonaliści, naukowcy, technicy
-Przemysł
-Służba zdrowia
-Edukacja
-Budownictwo
-Transport i magazynowanie
-Handel hurtowy i detaliczny
-Hotele i wyżywienie
Dysproporcje płac w Europie są ogromne, wręcz zdumiewające. Szwajcarzy z działu „Finanse i ubezpieczenia” w 2018 roku zarabiali średnio 9402 Euro a Bułgarzy z działu „Hotele i wyżywienie” tylko 363 Euro.
N.B. Polska w płacach sytuuje się na 4 / 5 miejscu od końca wśród krajów Europy. Niezasadnie szalenie wysoką pozycje mają polscy górnicy - pasożyci i bardzo drogie górnictwo węgla kamiennego jest do likwidacji. A z drugiej strony niezasadnie szalenie niską mają polscy medycy, który zagłosowali nogami i wyjechali. Przyszła epidemia Covid – 19 mówiąc „sprawdzam”. Masowy, śmiertelny efekt jest wszystkim znany.
Etaty w branży „Finanse i ubezpieczenia” likwiduje automatyzacja z użyciem Internetu, czytniki wszelkich kart do płacenia ( w tym SIM w smartfonie ), bankomaty ( to była technologia przejściowa ) i światowy trend likwidacji gotówki. Przejściowo automatyzacja bankowości podnosi zatrudnienie w ICT.
N.B. Sytuacja działu „Finanse i ubezpieczenia” w Szwajcarii była i jest komfortowa jako że jest to światowy paser i pracz lewych pieniędzy. Funkcja pasera i pracza wymaga utrzymania zatrudnienia ludzi bowiem szeroka automatyzacja prowadzi do dekonspiracji.
Bank musi mieć jednak sieć kontaktów z urzędnikami i politykami czyli pewien zasób pracowników aby zachować wpływ na politykę i urzędy jako ze przecież uczciwych banków w ogóle nie ma. Zatrudnia więc na synekurach pociotków polityków i ważnych urzędników oraz byłych polityków i urzędników.
Najtrudniejszym zadaniem banku jest ocena wiarygodności kredytobiorcy. Tam gdzie najwcześniej elektronicznie gromadzono dane o kredytach, osobach i przedmiotach majątkowych zadanie możliwe było do automatyzacji ponad 30 lat temu. Na podstawie historii wynagrodzeń ( dane z PIT i „ZUS” , kapitał początkowy odniesiony do wieku, umorzenia podatków lub egzekucje, emerytury rodziców lub ich kapitał początkowy ), katastru, rejestrów, wycen firm ( wielkość sprzedaży i jej rentowność wynikające z opłaconych podatków VAT i CIT, wielkość wpłaconych składek na ZUS pracowników i suma PIT-ów pracowników ) można bezpiecznie udzielić kredytu osobie i firmie. Zadania z premedytacją nie automatyzowano aby dokonywać oszust – defraudacji i udzielać kredytów firmom – bankrutom i stąd obecnie potężna populacja firm Zoombie w sytuacji gdy budżet państwa czyli podatnicy musi ratować bankrutujące banki.
Aby zapobiec wyciekowi danych o obywatelach odpłatny raport podający ryzyko udzielenia kredytu w konkretnej kwocie sporządziłyby komputery ZUS razem ze skarbówką.
Niedawno PFR udzielił zbankrutowanej PGG na pensje górników 1 mld złotych „pożyczki”. W istocie pod obligacje PFR, NBP wydrukuje miliard złotych dla górników co spowoduje wzrost inflacji czyli podatnicy dadzą pieniądze górnikom. To zuchwała kradzież a nie kredyt i przy automatyzacji oszustwo będzie niemożliwe.
O ile banki były kiedyś potrzebne w gospodarce jako centra budowy zaufania i koncentracji kapitału to w obecnym paradygmacie w dobie internetu stały się zbędnym pasożytem często oszukującym klientów.
Oczywiście Bank Centralny wpływa na pulę kredytów ( musi dbać o stabilność cen ) ustalając w przypadku kredytu na nieruchomości wkład własny i inne progi ograniczające dostępność kredytów aby nie wylały się na rynek w ilości grożącej inflacją.
Problem z automatyzacją kredytu jest tylko w przypadku młodych ludzi, z reguły po studiach, chcących wdrożyć / produkować swój pomysł. Normą w tym wypadku jest niepowodzenie i trudno jest ocenić czy nie doszło do wyłudzenia czyli oszustwa. Ale co któryś pomysł jest znakomity i młodych nie wolno zniechęcać !
Płace w sektorze „Górnictwo i wydobycie surowców” kontroluje się stosując mechanizacje i automatyzacje co pociąga za sobą redukcje zatrudnienia i ograniczenie siły przetargowej górników lub górnictwo się likwiduje przechodząc na inne surowce lub import. Wydajność pracy w nowoczesnym górnictwie odkrywkowym jest bardzo wysoka a zatrudnienie wręcz znikome.
Specjalizowana maszyna na podwoziu ciężarówki szybko wierci kolejne otwory w twardym złożu. Cysterna wraz ze specjalnym mechanizmem wlewa w wywiercone otwory płynny materiał wybuchowy i wtyka zapalniki rozwijając przewód do nich. Po eksplozji zgrubnie kruszącej złoże potężna koparka ( może być zasilana kablem średniego napięcia ) w ciągu minut ładuje na potężną wywrotkę 300-400 ton urobku. „Miękkie” złoże węgla brunatnego i kamiennego nie wymaga użycia materiałów wybuchowych. Potężna maszyna z wielką tarczą z łyżkami zaopatruje taśmociągiem całą elektrownie. Maszynę obsługują 2-3 osoby.
Wydajność nowoczesnego odkrywkowego wydobycia węgla kamiennego może być stukrotnie większa niż głębinowego wydobycia przestarzałą technologią jak w Polsce.
Automatyzacja edukacji przynosi na razie słabe rezultaty ale do wybranych zadań nadaje się znakomicie. Pamiętać bowiem trzeba że człowiek to istota biologiczna i społeczna. Rozwija się tylko i socjalizuje w interakcji z innymi ludźmi.
Najważniejszym towarem w globalnym handlu jest ropa naftowa. W wielu krajach paliwa silnikowe obłożone serią podatkowi i opłat są drogie natomiast marża handlowa od paliwa nie jest duża. Niemniej kwoty za zatankowanie samochodu są spore. „Okazja czyni złodzieja” Przed tankowaniem na automatycznej stacji należy je opłacić kartą. Czytniki banknotów są stosunkowo drogie i mają margines błędu. Stąd na części automatycznych stacji paliwowych można zapłacić tylko kartą.
Dla danej ilości mieszkańców planowanego miasta można wyznaczyć optymalną wysokość wszelkich domów minimalizującą długookresowy koszt funkcjonowania mieszkańców i infrastruktury. Im wyższe domy tym mniejszy jest obszar miasta ( koszt ziemi pod zabudowę ) i niższe koszty infrastruktury oraz wynikający z tego niższy koszt transportu i straconego na dojazdy czasu. Z drugiej strony w wysokich domach trzeba stosować windę osobową generującą koszta początkowe i eksploatacyjne oraz hydrofory i inne zabezpieczenia. Powyżej pewnej wysokości konstrukcja domu musi być wzmocniona czyli droższa.
Zabezpieczenia elektryczne, elektromechaniczne i mechaniczne w windzie ( dźwigu osobowym ) chronią przede wszystkim przed spadkiem kabiny windy w szybie w razie uszkodzenia liny nośnej lub przewodu sterowniczego. Chronią przed otwarciem drzwi i wpadnięciem z korytarza osoby do szybu windy gdy na piętrze nie ma kabiny windy. Hamulce napędu puszczają dopiero gdy silnik jest zasilany i napęd prawidłowo działa.
W poetyce „Pomysły genialne, zwariowane i takie sobie” można sobie wyobrazić prostopadłościan z odpowiedniego elastycznego polimeru umieszczony pełnie na dnie szybu windy amortyzujący upadek kabiny lub dużą poduszkę powietrzną podobną do stosowanej w samochodzie. Dla totalnej niezawodności poduszka powinna być wyzwalana bez żadnej elektroniki. Po rozprężeniu elastomeru i poduszki kabina powinna się znaleźć na poziomie mechanicznie otwartego wejścia. Przy małych szczelinach między kabiną a ścianami szybu szybko spadająca kabina zostanie trochę wyhamowana jako tłok sprężający powietrze w cylindrze. Na koniec upadek na elastomer lub poduszkę złagodzi uderzenie na tyle że pasażerowie co najwyżej doznają niegroźnych złamań kości.
Konstruktor Elish Otis już 1852 roku wynalazł automatyczny hamulec bezpieczeństwa dla windy co wzmogło zainteresowanie wysokimi budynkami z windami. Jeszcze się nie zdarzyło aby system hamulca Otisa nie zadziałał. Pierwszą windę elektryczną zrobił Siemens w 1880 roku.
Kwestie wygody i bezpieczeństwa wind osobowych są regulowane normami krajowymi i międzynarodowymi.
Trudne do rozwiązania były i są sprawy bezpieczeństwa wind w czasie pożarów wysokościowców - niezawodnego zasilania i sterowania oraz oddymiania i oświetlenia ewakuacyjnego. Szyb windy wprost idealnie służy do rozprzestrzeniania się ognia i dymu. W szybach pożary samoistnie powstają niezwykle rzadko. Windy wysokościowców są niestety słabym narzędziem ewakuacyjnym. Aby spowolnić pożar czujki dymu i ognia mogą uruchomić wentylatory wprowadzające małe nadciśnienie ( świeżym powietrzem z zewnątrz ) do szybu windy co zapobiegnie penetracji ognia do szybu. System sterowania może i powinien zapobiec zatrzymaniu windy na piętrze z pożarem. Kluczowa jest ognioodporność materiałów budowlanych i wykończeniowych a także odporność samej kabiny windy i drzwi do szybu.
Warto zauważyć że eksperymenty pożarowe z windami wysokościowców wymagają wysokiego budynku testowego o budowie takiej lub zbliżonej jak konkretny wysokościowiec i są bardzo kosztowne.
W wysokich budynkach są osobno windy strefowe i dalekobieżne. Windy dalekobieżne przekraczają prędkość 10 m/sec. Optymalizacja przepustowości systemu wind wymaga użycia skomplikowanych algorytmów.
Napędem windy był i w prostych windach jest dwubiegowy asynchroniczny silnik pierścieniowy. Kontroler logiczny przed punktem zatrzymania windy wydał rozkaz zmniejszenia prędkości i w końcu stanięcia.
Wyrafinowane windy szybkobieżne w drapaczach chmur już w latach dwudziestych wyposażano w regulowane napędy DC - układ Ward-Leonarda.
W latach sześćdziesiątych pojawiły się szybkobieżne windy z napędem tyrystorowym DC. Zostały wyparte przez silniki asynchroniczne zasilane z regulowanych inverterów IGBT.
W USA już na przełomie XIX i XX wieków opracowano i wprowadzono do ograniczonego użytku automatyczne bezobsługowe windy. Klienci nie chcieli ich używać bowiem wymagało to zmiany przyzwyczajeń a niektórzy klienci się bali. Zbędni windziarze byli zatrudniani blisko pół wieku. W ostatnich dniach przed końcem II Wojny przeprowadzono kampanie reklamowo - propagandowo - informacyjną i na fali radości i optymizmu z zakończenia II Wojny windziarze szybko zniknęli z wind.
System auto - diagnostyczny w urządzeniach mogących stwarzać niebezpieczeństwo ( winda, niesprawny dźwig, kolejka linowa, lokomotywa ) powinien już zapobiec wzięciu maszyny do pracy.
W napędzie windy zalety wykazuje przekładnia ślimakowa. Przy napędzie ślimakiem sprawność przekładni zależy od kąta wzniosu gwintu i kąta „tarcia”. Także od tych kątów zależy sprawność przy odwrotnym napędzie od strony koła zębatego ale wzór na sprawność jest inny. W szczególności przekładnia od strony koła zębatego może mieć sprawność Zero czyli być samohamowna lub nawet sprawność ujemną czyli ostro samohamowna
Jak na przekładnie sprawność przekładni ślimakowej jest niska z racji silnego tarcia między ślimakiem i kołem zębatym i wynosi typowo 0.4 – 0.9. Ślimak jest z reguły wykonany ze stali stopowej i dodatkowo utwardzony nawęglaniem i hartowaniem. Koło zębate jest często brązowe ale „pracujący” brąz może być naniesiony na tańsze koło stalowe. Materiały ślimaka i koła zębatego muszą być różne dla dobrej współpracy i zawsze są różne. Przekładnia winna być dodatkowo smarowana i chłodzona co zapewnia ożebrowanie pół hermetycznej skrzynki przekładniowej.
Przekładnia ślimakowa może być w zasadzie samobezpieczna per analogia do reaktora jądrowego w którym nawet po ustaniu aktywnie wymuszanego obiegu chłodzenia nie dojdzie do stopienia rdzenia bowiem zapobiegnie temu chłodzenie pasywne. .
Do zestawu silnik serwonapędu – inwerter ( stosowane w lepszych windach, inwerter ze zwrotem energii do sieci jest blisko dwukrotnie droższy niż współpracujący z rezystorem mocy hamowania ) często są oferowane przekładnie a w tym ślimakowe. Hamulec jednak musi być stosowany jako kolejne zabezpieczenie. Serwo silnik z reguły ma już wbudowany hamulec i sensor kąta. Sensor identycznie jak w maszynie CNC czy robocie pozwala płynnie ruszyć i dojechać do określonego piętra zdefiniowanego liczbą przesunięcia. Kontroler o położeniu kabiny informacje ma z sensora napędu ale też kontrolerów na piętrach i kontrolera w kabinie. Niespójność informacji świadczy o uszkodzeniu systemu i trzeba przejść na konfiguracje awaryjną i zawezwać serwis. Winda w podłodze ma mostek tensometryczny lub przełącznik przeciążeniowy. Przy otwartych drzwiach przy sygnalizowanym przeciążeniu winda zostanie zablokowana do czasu wyjścia części pasażerów czyli odciążenia. Moment napędowy może też mierzyć serwonapęd.
Przeciwwaga ma typowo masę kabiny i jednego pasażera.
Kontrolery przekaźnikowe zostały wyparte przez kontrolery na tranzystorach a te przez kontrolery na układach scalonych MSI / SSI a te przez kontrolery z mikroprocesorem.
Działający model windy wykonany z plexi często gościł w laboratoriach automatyki do nauki programowania logicznego.
W pierwszej połowie lat osiemdziesiątych nowoczesne kontrolery na pietrach miały już komunikacyjne interfejsy szeregowe.
Kontroler w kabinie windy może się z kontrolerem windy komunikować popularnymi interfejsami CAN lub RS485. Dla zwiększonej niezawodności transceiver CAN może też awaryjnie pracować asymetrycznie ( normalnie jest symetryczny ) w razie częściowego uszkodzenia przewodu. Celowe jest stosowanie światłowodu do komunikacji. Przyciski i zamki drzwi oraz wyświetlacze na pietrach mogą być lokalnym kontrolerem połączone z głównym kontrolerem windy drugiem niezależnym interfejsem CAN lub RS485 ale w małej windzie interfejs CAN / RS485 jest tylko jeden. Stosowanych jest wiele zabezpieczeń. Kontaktrony jako sensory położenia działają gdy zbliżą się do magnesów. Stosowane są transoptory odbiciowe plus współpracujące lusterka. Spotykane jest stosowanie kodu kreskowego i jego czytników. Rozmaitość rozwiązań jest duża.
Kabina jest zasilana kablem ale można wyobrazić sobie zastosowanie niewielkiego akumulatorka litowo – jonowego ładowanego energią przesyłaną pętli na kabinie przez pętle indukcyjne na piętrach. Akumulatorek taki może też zapewnić awaryjne oświetlenie i komunikacje. Możliwa jest do celów sterowania komunikacja radiowa ale otwarta jest kwestia bezpieczeństwa. Natomiast zasięg zwykłego pilota i odbiornika zdalnego sterowania na podczerwień już może przekraczać 40 metrów.
Dyrektywa Dźwigowa 96/16/WE żąda aby kabina dźwigu była wyposażona w środki dwustronnej łączności, umożliwiające stały kontakt ze służbami ratowniczo - technicznymi. Szczegóły znajdują się w normie PN EN81-28:2004 „Zdalne alarmowanie w dźwigach osobowych i towarowych” zharmonizowanej z Dyrektywą Dźwigową. Łączność może się odbywać za pomocą interkomu z lokalną obsługą lub linią telefoniczną lub poprzez standard GSM.
W przypadku użycia szybkich interfejsów CAN/RS485 mogą one zostać użyte do komunikacji głosowej. Znane są rozwiązania kontrolerów do wielkich silników Diesla ze specjalnymi szerokopasmowymi sensorami ciśnienia w cylindrach. Sygnały z sensorów są przesyłane podstawowym interfejsem CAN sterownika. Wykwalifikowany operator oglądając na monitorze przebieg ciśnienia spalania paliwa w cylindrze może od razu stwierdzić że coś jest nie tak. Diagnostykę można też automatyzować.
Serwonapędy windy mogą mieć pojemny akumulator identyczny jak w samochodzie elektrycznym. Przy braku sieciowej energii elektrycznej w ciągu godziny lub dłużej wszyscy spokojnie zdążą opuścić wieżowiec windami. Akumulator załatwia też sprawę odzyskowego hamowania ładując się energią co pozwala stosować typowe inwertery bez zwrotu energii do sieci. Mankamentem akumulatorów litowo - jonowych jest koszmarny ich pożar.
Algorytm działania pojedynczej windy jest prosty. Sprawa mocno się komplikuje w dużym wieżowcu gdzie szybkobieżne windy dowożą klientów na piętra przesiadkowe a stamtąd wolniejsze windy strefowe na przypisany im odcinek pięter.
Obsługa systemu mając kamery na piętrach i w kabinach może obserwować sytuacje i czasowo blokować zatrzymanie wind dla wsiadających celem zwiększenia wydajności transportu liczonej w pasażero – piętrach. System może być adaptacyjny czyli samouczący się. Przy bardzo małym ruchu dla oszczędności energii i mechanizmów system może celowo wprowadzać zwłokę.
W razie pożaru nie wolno zatrzymać się kabinie na palących się pietrach. Stąd integracja z systemem pożarowym jest bardzo wskazana.
System windy może / powinien współpracować z „domofonem” z czytnikiem do bezdotykowego otwierania drzwi wejściowych bloku. Dla mieszkańca lokalu położonego wyżej niż na drugim piętrze zostanie inteligentnie przywołana winda i nie traci on czasu na oczekiwanie na windę. Jednak mieszkając na niższym piętrze musi ją wezwać przyciskiem. Po zmroku otwarciu drzwi wejściowych towarzyszy zapalenie się światła gaszonego po zamknięciu się windy lub po czasie.
Można tez windę traktować jako urządzenie świadczące płatne usługi. Płatność na przykład wykonana telefonem z identyfikującą kartą SIM.
Masa kabiny i wymagana szybkość decydują o mocy napędu. Stosując w konstrukcji kabiny droższe materiały lekkie można użyć mniejszego napędu i latami oszczędzać energie elektryczną. Wyobrazić można sobie napęd silnikiem liniowym.
Reasumując - Mamy eleganckie drogie, szybkobieżne windy zbudowane z klejonego szkła, aluminium i stali nierdzewnej z wyrafinowanym sterowaniem z serwonapędem i proste windy ze sterowaniem logicznym napędu.
Wyrafinowana winda może mieć wiele zabezpieczeń. W razie awarii inwertera można do stojana podać regulowane napięcie stałe i silnik asynchroniczny hamuje co pozwala płynnie dojechać w dół do piętra i uruchomić hamulec.
Dokumentacje elektroniczne do oferowanych sterowników logicznych do prostych wind są ogólnie dostępne.
Transceivery CAN / RS485 mają z reguły filtr - dławik przeciwzakłóceniowy common oraz zabezpieczenie przepięciowe. Ważność tych elementów rośnie wraz z długością połączeń kablowych.
Pierwsze mikrokontrolery z interfejsem CAN dedykowanym do samochodów pomysłu koncernu Bosch wypuścili równolegle w 1987 roku Intel i Philips a pierwszy samochód z CAN wyprodukowano w 1991 roku. Łącznie we wszystkich samochodach występuje obecnie aż 70 różnych ECU z interfejsem CAN.
Interfejs CAN stosowany jest także w autobusach i ciężarówkach, sprzęcie rolniczym, urządzeniach nawigacyjnych i lotniczych, automatyce, windach, automatyce budynków, automatyce statków, sterowaniu oświetleniem, sprzęcie pomiarowym.
Starsze wersje systemu CAN są już wolne od opłat na rzecz dawcy licencji Boscha ale nowsze niestety nie co podnosi cenę mikrokontrolerów z nowoczesnym interfejsem CAN.
W ramach CANopen Special Interest Group (SIG) "Lift Control" rozwija protokół aplikacyjny CiA 417 dla systemów sterowania wind. Pierwsza wersja jest z 2003 roku a ostatnia z 2020 roku. Użycie tego protokołu aplikacyjnego zwalnia z wymyślenia własnego i umożliwia budowę systemu ze zgodnych ze sobą „klocków” różnych producentów
Sprawdzenie
-Istnieją strukturalne, statystyczne i semantyczne miary informacji. Sygnał zawiera informacje. Twierdzenie o próbkowaniu ( fundamentalne twierdzenie teorii informacji, telekomunikacji oraz cyfrowego przetwarzania sygnałów ) niesłusznie przypisywane jest Shannonowi ( z Bell Laboratories ) jako że akademik Włodzimierz Kotielnikow 15 lat wcześniej ( 1933 ) teoretycznie zbadał pojemność informacyjną kabla i kanału radiowego. Matematycy i szachiści ZSRR reprezentowali najwyższy poziom. Dowód twierdzenia o próbkowaniu podany przez Kotielnikowa jest elegancki i prosty jak to w matematyce.
Im szersze są impulsy ( krańcowo są to schodki o amplitudzie kolejnych próbek szerokości okresu próbkowania z przetwornika D/A lub układu S/H ) tym bardziej opadająca jest charakterystyka częstotliwościowa procesu odtwarzania. Podaj funkcje charakterystyki częstotliwościowej rekonstrukcji gdzie argumentem jest szerokość próbek.
-Podaj przeliczenie stałych czasowych szeregowych bloków całkowania Tis oraz różniczkowanie Tds ( s od serial ) regulatora PID w konfiguracji szeregowej ( do idei skracania biegunów przez zera z obiektem ) na konfiguracje równoległą Ti , Td i odwrotnie.
Cwiczenie
1.Zapoznaj się z dokumentacją windy.
-Jaki jest sensor kąta zintegrowany w serwomotorze. Podaj jego parametry.
-Jaki sensor mierzy temperaturę silnika. Jakie są progi programowych działań ochronnych. Jakie to są działania.
-Jakie inne rodzaje sensorów zastosowano
-Jaki jest stosunek maksymalnej energii potencjalnej (maksymalnie obciążonej pasażerami windy na maksymalnej wysokości ) do energii jaką może pochłonąć rezystor hamowania invertera w ciągu minuty.
2.Przetestowanie programu komputerowego jest z reguły znacznie kosztowniejsze niż jego stworzenie i stąd tak wiele jest programów z poważanymi wadami, które są dopiero eliminowane po tym jak użytkownicy gratis znajdą producentowi kolejne błędy w programie !
Szczególnie trudne jest przetestowanie programu „wbudowanego” mikrokontrolera ponieważ jego działanie zależy od stanu kontrolowanego otoczenia.
Zastosowanie zwykłego algorytmu regulatora PI/PID do obiektu całkującego lub pseudo-całkującego daje potężne przeregulowanie ( 30-45% ) odpowiadające w transmitancji zamkniętej pętli regulacji głównie zeru w jej liczniku. Zero można skrócić wygładzając sygnał zadany ( to jest tak zwany ramping ) inercją lub lepiej sygnał zadany jest przepuścić przez filtr skracający zerem i biegunem zero i biegun rzeczywisty transmitancji pętli. Jeszcze lepiej zastosować jest prostą wariacje regulatora PI specjalnie dla obiektu całkującego. Pętle regulacji prądu trójfazowego do silnika synchronicznego lub asynchronicznego wykonuje się na szybkich mikrokontrolerach coraz częściej mających nawet zmienny przecinek co ułatwia stworzenie programu. Ponieważ stała czasowo uzwojenia silnika jest dużo większa niż częstotliwość próbkowania i modulacji PWM charakterystykę pętli regulacji prądu projektuje się tak jakby obiekt był całkujący celem uzyskania jak największego wzmocnienia i pasma. W inwerterze prądy faz mierzone są miniaturowymi izolującymi sensorami z efektem Halla. Ponieważ prądy mają pulsacje PWM są próbkowane w środku okresu PWM dla największej miarodajności próbek. Na ekranie oscyloskopu prąd silnika ze wstęgą tętnień PWM wygląda mało sympatycznie ale tętnienia prądu można łatwo odfiltrować prostym filtrem analogowym II rzędu. W stanie ustalonym widać ładne sinusoidy prądów faz silnika z czego niewiele wynika na temat poprawności działania programowych regulatorów prądów. Zwróćmy uwagę że stosując normalny regulator PI i filtr wejściowy po dodaniu ( węzeł sumujący regulatora ! ) analogowego (!) sygnału prostokątnego zadanego z generatora do analogowego sygnału z sensora prądu powinniśmy otrzymać przeregulowanie prądu. W inwerterze po malutkiej modyfikacji nie zaburzającej jego pracy podano prostokątny sygnał zadany otrzymując na wyjściu sensora pokazany ( odfiltrowany) przebieg. Programowo zadane prądy są zerowe. Druga faza silnika jest połączona do szeregowych kondensatorów elektrolitycznych ( w uproszczeniu ) w połowie napięcia zasilania mocy 0.5 Ub. Prostokątny sygnał zadany generatora ( z uwagi na kondensatory elektrolityczne częstotliwość nie może być za mała, składowa stała musi być zerowa ) jest na tyle mały że regulator pracuje bez nasycenia.
Czy parametry programowych regulatorów PI prądów faz są ustawione poprawnie ?
Uwaga: Ponieważ silnik się nie obraca to się nie chłodzi. Nie wolno długo podawać dużego prądu fazy bowiem nastąpi uszkodzenie silnika !
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz