Issuu

PANELOVÉ MĚŘÍCÍ PŘÍSTROJE SLOUPCOVÉ ZOBRAZOVAČE VELKOPLOŠNÉ DISPLEJE PŘEVODNÍKY NA DIN LIŠTU BEZPAPÍROVÉ ZAPISOVAČE PLC

www.orbit.merret.cz měřením přinášíme hodnoty

A. Pleskot • ZÁKLADY AUTOMATIZACE

VÝROBCE MEŘÍCÍCH PŘÍSTROJŮ

Zรกklady automatizace

Ing. ALOIS PLESKOT

Zรกklady automatizace

PRAHA 2019

Učebnice je určená pro studující na středních školách elektrotechnického a strojního zaměření. V úvodní části se stručně věnuje historii oboru a dále pak navazují kapitoly o jednotlivých částech, které automatizační technika zahrnuje, tj. od vstupních měřených veličin přes jejich zpracování po přenos do řídicího prvku.

Za podporu vydání této učebnice děkujeme firmě:

Všechna práva vyhrazena. Tato kniha ani její části nesmějí být rozmnožovány tiskem, fotokopiemi, elektronickými datovými soubory ani jiným způsobem bez předchozího písemného souhlasu vydavatele. Lektoroval: Ing. Jan Štěrba, Ph.D.

ISBN 978-80-7333-136-8

OBSAH

Úvodem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.1 1.2 1.3

Historie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Význam a důvody automatizace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Názvosloví . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11 14 15

Měření neelektrických veličin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.3 2.3.1 2.3.2 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.5 2.4.6 2.4.7 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.5.4 2.6 2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.6.4 2.6.5 2.7

Druhy signálů v automatizaci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rušení elektrických signálů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rušení cizím magnetickým polem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rušení nesprávným zapojením . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Převodníky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Analogový převodník . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Číslicový převodník . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Měření teploty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Jednotky teploty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Teploměry s tepelnou roztažností . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrické snímače teploty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zapojení odporových snímačů teploty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Optické měření teploty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Provedení průmyslových snímačů teploty . . . . . . . . . . . . . . . . . Montáž teploměrů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Měření síly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Snímače síly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vážení na dopravníku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Měření tahu látek při potisku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vážení sil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Měření tlaku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Jednotky tlaku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Přístroje pro měření tlaku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Teplotní závislost manometrů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Provedení manometrů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Montáž manometrů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Měření hladiny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18 19 19 20 20 20 21 22 22 22 24 25 27 27 30 31 31 32 32 33 33 33 34 36 36 37 39

2.7.1 Obtokové snímače hladiny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.2 Plovák na vodicí tyči . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.3 Plovák na páce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.4 Radiační snímač hladiny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.5 Měření hladiny pomocí hydrostatického tlaku . . . . . . . . . . . . . . 2.7.6 Vodivostní spínač . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.7 Měření ultrazvukem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.8 Elektromagnetický lokátor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.9 Nadnášené plováky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.10 Rotační snímač hladiny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.11 Membránový snímač hladiny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.12 Kapacitní snímač hladiny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.13 Optický snímač hladiny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.14 Vibrační snímač hladiny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8 Měření průtoku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.1 Plovákové průtokoměry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.2 Pádlové průtokoměry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.3 Turbínkové průtokoměry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.4 Indukční průtokoměr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.5 Vírový průtokoměr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.6 Ultrazvukový průtokoměr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.7 Coriolisův průtokoměr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.8 Venturiho trubice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.9 Měření na cloně . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.10 Kuželový průtokoměr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.11 Měření průtoku hustých kapalin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.12 Tepelné průtokoměry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.13 Montáž průtokoměrů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9 Snímače polohy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.10 Měření vlhkosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.10.1 Způsoby měření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.11 Analýza plynů na principu magnetické susceptibility . . . . . . . . 2.12 Analýza plynů na principu tepelné vodivosti . . . . . . . . . . . . . . . 2.13 Měření vodivosti kapalin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.14 Měření pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.15 Měření úhlu natočení, otáček . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.16 Měření délek a vzdáleností . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.17 Snímače magnetických veličin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.18 Metrologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.19 Měřicí přístroje používané v automatizaci . . . . . . . . . . . . . . . . .

39 40 41 42 42 43 44 44 44 45 45 46 46 46 46 47 49 52 53 55 55 57 58 58 59 59 60 62 62 64 65 65 66 66 68 69 69 70 71 72

2.19.1 Kompenzační měřicí přístroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.19.2 Elektronické měřicí přístroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.19.3 Zapisovače . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.20 Systém klapka-tryska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

72 72 73 74

Regulace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.20 3.21 3.22 3.23 3.24 3.25 3.26 3.27 3.28

Elektrické zesilovače . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pneumatický zesilovač . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hydraulický zesilovač . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Magnetické zesilovače . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druhy regulátorů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dvoupolohová regulace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dvoupolohové regulátory teploty (termostaty) . . . . . . . . . . . . . Dvoupolohové regulátory tlaku (manostaty) . . . . . . . . . . . . . . . Dvoupolohové regulátory hladiny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dvoupolohové regulátory průtoku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Třípolohová regulace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pulzní regulace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bloková algebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Jednotkový skok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Přechodová charakteristika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Jednotkový impulz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dopravní zpoždění . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Přechodové charakteristiky statických soustav . . . . . . . . . . . . . Proporcionální přenos (P) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Integrační přenos (I) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Derivační přenos (D) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PID přenos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spojitá regulace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nastavení regulátoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kritéria jakosti regulace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektronické regulátory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pneumatický regulátor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hydraulický regulátor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

75 76 77 78 79 79 81 82 82 82 82 83 83 86 86 87 87 87 89 90 91 92 92 93 94 94 95 96

Akční členy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3

Elektrické pohony . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Asynchronní motory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lineární motory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Krokové motory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

97 97 97 98

4.1.4 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10

Přímočaré elektromagnety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tekutinové pohony . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pneumatické membránové pohony . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Přímočarý pístový pohon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hydraulické a pneumatické pohony s kývavým pohybem . . . . . Výroba a úprava stlačeného vzduchu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regulační orgány . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regulační ventily . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trojcestný ventil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Polohový člen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektromagnetický ventil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regulátor tlaku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Servopohon regulačního ventilu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regulační orgány pro sypké hmoty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Příklady regulací . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12

Třípolohová regulace kroková . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regulace teploty v nádrži . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regulace tlaku vzduchu v tlakové nádobě . . . . . . . . . . . . . . . . . Regulace otáček turbíny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regulace průtoku kapaliny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regulace relativní vlhkosti v klimatizované místnosti . . . . . . . . Regulace výšky hladiny kapaliny v otevřené nádrži . . . . . . . . . Regulace tlaku vzduchu v potrubí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Poměrová regulace spalování v plynem vyhřívané peci . . . . . . . Regulace topení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ohřev teplé užitkové vody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Klimatizace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Robotika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

6.1 6.2 6.3 6.4 6.4.1 6.4.2 6.5 6.6 6.7

Využití a výhody robotů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nasazení robotů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mechanická sestava . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pohony průmyslových robotů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Požadavky na pohon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druhy pohonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pracovní hlavice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Řízení robotů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Programování robotů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

100 102 103 103 106 108 109 109 110 110 112 114 115 115 117 118 118 118 118 120 120 121 121 122 125 126 128 128 129 130 130 131 131 133 133

Logické obvody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

7.1 Druhy logických obvodů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Kombinační logické obvody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.1 Logické funkce pro jednu vstupní proměnnou . . . . . . . . . . . . . . 7.2.2 Logické funkce pro dvě vstupní proměnné . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3 Schematické značky kombinačních logických obvodů . . . . . . . 7.4 Vyjádření logických funkcí pomocí kontaktů relé . . . . . . . . . . . 7.5 Booleova algebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6 Platnost vztahů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.7 Minimalizace obvodů pomocí Booleovy algebry . . . . . . . . . . . . 7.8 Karnaughova mapa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.9 Převod: pravdivostní tabulka – Karnaughova mapa . . . . . . . . . . 7.10 Převod: Karnaughova mapa – algebraický výraz . . . . . . . . . . . . 7.11 Převod: algebraický výraz – tabulka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.12 Návrh logického kombinačního obvodu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.13 Zapojení s logickými integrovanými obvody NAND . . . . . . . . . 7.14 Zapojení logických obvodů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.14.1 Kodér pro BCD kód . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.14.2 Dekodér pro BCD kód na 1 z 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.14.3 Multiplexor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.14.4 Demultiplexor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.15 Sekvenční obvod RS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.16 Impulzní relé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.17 Ovládání vrtačky – příklad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

134 134 134 135 138 139 140 141 142 146 148 149 152 153 156 158 158 160 162 164 166 168 168

Automatické řízení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

8.1 8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 8.2.5

Konfigurace systému . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zpracovávané signály . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Adresy zpracovávaných veličin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Analogová měřená veličina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dvouhodnotová veličina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Počítané veličiny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Výstupní signály . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

170 170 171 171 173 173 173

Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

Úvodem

1.1

Historie

Automat je slovo řeckého původu, odvozené od řeckého slova autómatos, tj. sám o sobě jednající. Člověk se vždy snažil pro ulehčení své práce používat různé pomůcky a nástroje. Postupně zkonstruoval jednoduché stroje – kladku, páku, nakloněnou rovinu. Použitím těchto jednoduchých strojů a základních fyzikálních zákonů vznikala zařízení, která vykazovala automatické chování. Činnost těchto zařízení byla ve starověku i ve středověku pak považována za zázrak nebo kouzlo. Takovým dojmem působilo na zástupy věřících zařízení chrámu v Alexandrii, a to již 200 let před Kristem, zobrazené na obr. 1.1.

Obr. 1.1. Automatické otevírání chrámových dveří v Alexandrii

Důmyslné zařízení otevíralo dveře chrámu, zajišťovalo zpěv kovových ptáků a kovové sochy postřikovaly příchozí posvátnou vodou. V principu šlo o využití teplého vzduchu. Velký posvátný oheň ohříval vzduch. Ohřátý vzduch zvětšil svůj objem a vytlačoval vodu do okovu, který byl spojen přes kladky a řetězy s protizávažím. Vzrůstající hmotnost okovu převážila protizávaží a okov klesal. Z pohybu řetězu mezi okovem a protizávažím je odvozeno otevírání chrámových dveří. Po uhasnutí ohně se vzduch ochladil, vznikající podtlak vysál vodu z okovu a chrámové dveře se zavřely. Tehdejší učenci na tomto zařízení předvedli znalosti fyziky a řemeslníci dokázali vyrobit tlakovou nádobu a potrubí. Ve středověku kovářští a hodinářští mistři byli schopni vyrobit různé orloje a zvonkohry. Pohon zajišťovalo závaží. V hospodářství se jako pohon používalo vodní kolo na tekoucí vodě, vítr nebo lidská práce. Na potocích a řekách vznikaly pily, kovářské dílny s vodním bucharem a mlýny. Ve větrných a vodních mlýnech se užívalo zařízení na dávkování zrna mezi mlýnské kameny, a to v závislosti na jejich otáčení. Zde již můžeme hovořit o automatickém zařízení. Při vyšších otáčkách se mezi kameny sypalo více zrní a zatížením otáčky klesly do požadovaného rozsahu. Při nižších otáčkách se množství zrní snižovalo. Velký hospodářský rozvoj přinesl vynález parního stroje a Wattův regulátor otáček parního stroje, schematicky je znázorněn na obr. 1.2. Při vyšších otáčkách odstředivá síla zvedá závaží regulátoru a tento pohyb se přenáší na regulační klapku přívodu páry do stroje. Klapka uzavírá přívod páry a otáčky se snižují. Při poklesu otáček klapka otevírá přívod páry do parního stroje. Ve strojírenské výrobě poháněl parní stroj společnou hřídel a od té se řemenovým převodem poháněly jednotlivé stroje.

Obr. 1.2. Wattův regulátor

Kolem roku 1800 představil Joseph Jacquard programovatelný tkalcovský stav. Programovacím médiem byly kartonové štítky s otvory. Zařízení mechanicky „osahávalo“ programovací štítek, a tím byla umožněna výměna barev při tkaní a tvorba vzoru. Výměnou programovacích štítků se změnil i vzor na látce. Děrný štítek byl předlohou pro děrné štítky a děrné pásky používané jako programové nebo datové paměti až do 70. let minulého století. Další rozvoj hospodářství přineslo využívání elektrické energie. Tady už vznikala potřeba např. blokovacích podmínek při spouštění nebo vypínání zařízení či signalizace poruch. V polovině 19. století irský matematik Georgie Boole přišel s algebrou, která umožňovala matematický zápis logických výroků. V roce 1937 budoucí inženýr Claude Elwood Shannon obhájil diplomovou práci, v níž ukázal, jak lze použít Booleovu algebru ke konstrukci složitých přepínačů. V roce 1921 napsal Karel Čapek divadelní hru R.U.R. V ní poprvé použil slovo robot jako pojmenování pro umělého člověka. V této hře nakonec roboti zvítězí nad lidmi. Schopnost robota cílevědomě zničit svého tvůrce nedala spát ani americkému spisovateli Isaacu Asimovi. Ten ve své knize Já robot sepsal tři pravidla, která by měla být naprogramována do všech robotů: 1. Robot nesmí ublížit člověku nebo svou nečinností dopustit, aby člověku bylo ublíženo. 2. Robot musí poslechnout příkazů člověka kromě případů, kdy tyto příkazy jsou v rozporu s prvním pravidlem. 3. Robot musí chránit sebe před zničením kromě případů, kdy tato ochrana je v rozporu s prvním nebo druhým pravidlem. V roce 1929 společnost Westinghouse Elektric Corporation sestrojila Televox, což byl první robot, který byl schopný vykonávat užitečnou práci pro člověka. První opravdový robot, který byl programovatelný, digitální a učenlivý, vyvinul pak v roce 1954 George Devol a pojmenoval ho Unimate. V roce 1982 byla poprvé vyrobena robotická paže, která znamenala další průlom ve vývoji robotů. Během 2. světové války vznikly jednoduché elektromechanické analogové počítače pro řízení dělostřelecké střelby nebo pro řízení bombardování. Ve státním výzkumném středisku v USA v Los Alamos byl zprovozněn první číslicový počítač podle von Neumanna. Na těchto pracích se podílel i Čech prof. Antonín Svoboda, pod jehož vedením pak u nás vznikly první reléové počítače. V Los Alamos působil i matematik prof. Norbert Wiener. 13

V roce 1948 vydal knihu Kybernetika – aneb řízení a sdělování v lidských organismech a strojích, která byla vydána i v českém překladu. Slovo kybernetika je odvozeno od řeckého slova kybernétés, tj. česky kormidelník, který řídí loď. V roce 1947 William Shockley, John Bardeen a Walter Bratain z firmy Bell Labs oznámili vynález tranzistoru. První počítače byly elektronkoreleové a tranzistory se záhy začaly používat. První patent za integrovaný obvod získal Robert Noyce v roce 1961. Počítače pro přímé řízení technologií se u nás začaly používat začátkem 70. let minulého století. Byly to řídicí systémy ze zahraničí. Československé řídicí a informační systémy se začaly vyrábět o několik let později. Po roce 1989 tato výroba zanikla. Aplikace matematiky a vynálezy z poloviny minulého století tvoří základy dnešního rozvoje automatizace a kybernetiky.

1.2

Význam a důvody automatizace

Pro uplatnění automatizace existují tři dále uvedené důvody. 1. Vynucená automatizace – spočívá v náhradě lidské práce, a to z různých důvodů: yy vytěsnění člověka z nebezpečného prostředí – radioaktivita, vysoké teploty prostředí, práce v prostředí s nebezpečím výbuchu, práce s výbušninami, práce ve velkých hloubkách apod., yy vytěsnění člověka z prostředí, kde delší pobyt způsobuje nemoci z povolání – vlhko, teplo, prach, otřesy apod., yy chyby člověka mohou způsobit velkou škodu – navigace letadel apod., yy člověk není schopen pracovat nebo reagovat dostatečně rychle a při delší monotónní práci chybuje – např. automatizace řízení technologického procesu je schopna zjistit odchylku od standardu dřív než člověk, yy automat je schopen vykonávat práci s vyšší kvalitou než člověk – vedení stříkací pistole, operace v lékařství apod. yy přítomnost člověka není možná – kardiostimulátor, kosmické sondy apod., yy použití lidské práce je zbytečné a lze ji nahradit automatem – vydávání jízdenek, nápojové automaty apod.

2. Ekonomicky zdůvodněná automatizace – je vynucena principy tržní ekonomiky, nejznámějším příkladem je výroba automobilů: yy automatizace zajišťuje snížení výrobních nákladů, odstraní se z procesu lidská práce a sníží se i materiální náklady a vzroste kvalita výroby – aplikace robotů při výrobě karosérií apod., yy automatizace zajišťuje snížení režijních nákladů, odpadají mezisklady, dochází k úspoře energií, k menšímu opotřebení strojů – pro finální montáž jsou zásoby jen na několik hodin výroby, yy automatizace umožňuje zvýšení produktivity práce a zvýšení objemu výroby, odstraní se chybovost člověka, yy automatizace při konstrukci a vývoji usnadňuje rychlejší zavedení výroby – první zkouška výroby nového výrobku je ve virtuálním 3D prostoru, yy automatizace umožňuje reagovat na přání zákazníka při výrobě, yy automatizace jednotlivých funkcí výrobku zvyšuje celkové funkční vlastnosti výrobku, yy automatizace výroby umožňuje získávat průběžné informace o stavu výroby. 3. Jiné důvody: yy automatizace umožňuje monitorovat životní prostředí, sběr dat o stavu hladin v řekách, monitorovat stav ovzduší apod., yy zvýšení pohodlí a komfortu – inteligentní dům apod., yy automatizace řízení umožňuje získávat okamžité informace o objektu – informace o chodu motoru v automobilu apod., yy prestiž a propagace firmy – roboty apod., yy spotřební elektronika, zábava, hračky.

1.3

Názvosloví

Snahu člověka o usnadnění práce lze rozdělit do tří úrovní (etap): 1. úroveň: instrumentace – používání jednoduchých ručních nástrojů. 2. úroveň: mechanizace – použití strojů. 3. úroveň: automatizace – náhrada duševní a řídicí práce stroji (počítači). Stroj – mechanické zařízení vyrobené člověkem, jímž se nahrazuje, usnadňuje, zrychluje a upřesňuje lidská práce. Mechanizace – využívání strojů pro odstranění namáhavé duševní či fyzické práce. 15

Komplexní mechanizace – úplné odstranění lidské práce pomocí strojů, úplná mechanizace určitého procesu. Automat – zařízení, které vykonává předem stanovené úkony. Algoritmus – popsaný postup řešení úlohy posloupností elementárních operací. Například elementární operací pro mikroprocesor je jedna ze souboru instrukcí. Program je pak řešením úlohy pomocí elementárních operací. Signál – nositel informace. Jde o veličinu působící mezi členy řídicího obvodu nebo mezi celými obvody. Spojité soustavy – všechny signály v řízené soustavě se mění spojitě. Nespojité soustavy – některé signály v řízené soustavě nabývají konečného počtu hodnot. Automatické ovládání (obr. 1.3) – řízení bez zpětné kontroly měřením, otevřený řídicí řetězec.

Obr. 1.3. Automatické ovládání

Obr. 1.4. Automatická regulace Kde F1 je ústřední člen regulátoru, celý regulátor R obsahuje ještě rozdílový člen, F2 – regulovaná soustava, w – řídicí, nebo požadovaná veličina, hodnota, na kterou se má nastavit para metr soustavy, y – měřená nebo skutečná veličina, která udává okamžitou hodnotu paramet ru soustavy, e – regulační odchylka, tj. rozdíl mezi požadovanou a měřenou hodnotou, regulátor podle této veličiny vytvoří na výstupu akční veličinu u, která ovládá přívod energie nebo hmoty do soustavy, d – poruchová veličina, která může působit v kterémkoliv místě automatické regulace.

Automatická regulace (obr. 1.4) – regulátor a soustava pracují se zápornou zpětnou vazbou, která je dána rozdílem hodnot na vstupu regulátoru. Automatické řízení (obr. 1.5) – řídicí soustava je tvořena počítačovým systémem a jednotlivé regulátory jsou programované bloky. Do řízené soustavy (technologie) vstupují poruchy z vnějšího prostředí. Řídicí pokyny ovládají tok médií nebo zapínají pohony. Do počítačové soustavy vstupují měřicí signály a signály kontrolní o stavu sepnutí. Pro potřebu řízení se provádějí změny programu z programátorského vstupu, který má nejvyšší prioritu. Požadavky operátorů vstupují do řídicí soustavy přes displeje nebo mechanické nastavovací prvky (potenciometry).

Obr. 1.5. Automatické řízení

Adaptivní řízení – regulátor je schopen z průběhu měřené veličiny odečíst časové údaje a nastavit potřebné konstanty regulátoru. Nepružná automatizace – nelze změnit algoritmus (pevné spojení). Pružná automatizace – lze změnit algoritmus (změna programu). Vlečná regulace – požadovanou hodnotou je jiná měřená veličina. Kaskádová regulace – požadovanou hodnotou je akční veličina z jiné regulační smyčky. 17