Voorbeeldreader Midden Kader Engineering oktober 2019

Middenkader engineering Technicus engineering 888201909260835 oktober 2019

COLOFON Š2019 Kenteq, Hilversum Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand dan wel openbaar gemaakt in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieÍn, opname, of enige andere wijze, zonder voorafgaande toestemming van de uitgever.

Kenteq Postbus 81 1200 AB Hilversum info@techniekstad.nl

Voorwoord Hallo, In een tijd die bol staat van razendsnelle technologische ontwikkelingen is iedereen inmiddels wel overtuigd van het belang van goed techniekonderwijs.

We zijn daarom ook trots dat we Middenkader Engineering niveau 4 aan jou kunnen laten zien. In Techniekstad is ons lesmateriaal voor Werktuigbouwkunde, Elektrotechniek, Mechatronica en Installatietechniek voor niveau 4 nu beschikbaar.

Deze maatwerkreader is een voorbeeld van ons lesmateriaal. Als docent bepaal je zelf welke leeronderwerpen jij in je les aanbiedt.

Je stelt dus jouw eigen lesmateriaal samen. Daarbij heb je de keuze dit als maatwerkreader, zoals dit boek aan je studenten aan te bieden of digitaal via Techniekstad.

Wil je meer lezen over hoe je het lesmateriaal kan arrangeren, de heldere indeling en onze bijbehorende projectenbank? Ga naar techniekstad.nl/ME4 en vraag gerust een vrijblijvende proeflicentie aan.

Met een proeflicentie heb je 6 weken lang, zonder verdere verplichtingen echt alle gelegenheid om te kijken hoe Techniekstad past bij jou en je studenten.

Vragen?

We beantwoorden ze graag. Mail naar techniekstad@kenteq.nl Suzanna Segenhout Uitgever

Inhoudsopgave 1

Projectmatig werken

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

Projectmatig werken Projectfasen Betrokkenen in een project Beheersen van projecten Samenvatting Antwoorden

10 12 15 17 24 25

2

Plannen van activiteiten

27

2.1 2.2 2.3 2.4

Planningen Methoden voor het plannen van activiteiten Samenvatting Antwoorden

27 28 34 35

3

Materiaalfabricage

37

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

Staalfabricage Aluminiumfabricage Kunststoffabricage Samenvatting Antwoorden

38 45 48 50 52

4

Askoppelingen

53

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9

Context Klemkoppeling Flenskoppeling Elastische koppeling Schakelbare koppeling Vloeistofkoppeling Schakelmechanismen Samenvatting Antwoorden

54 54 57 63 65 71 72 75 77

5

Spanningen

79

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

Context Begrippen: normaaldoorsnede, normaalspanning Soorten spanningen Dwarsspanning Belasting op trek Belasting op druk Belasting op afschuiving Stuikspanning Vlaktedruk Software Samenvatting Antwoorden

Š Kenteq

9

80 81 82 83 85 88 90 92 96 100 101 102

5

6

6

Tijdschakelingen

103

6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6

Context Inschakelvertraging Uitschakelvertraging Volgordeschakeling met tijdvertraging Samenvatting Antwoorden

104 104 112 118 122 123

7

Alternatieve energievoorziening

125

7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8

Windenergie Zonne-energie Waterkrachtcentrales Getijdencentrales Energie uit biomassa Geothermische energie Samenvatting Antwoorden

126 127 129 129 130 130 131 131

8

Driefasenschakelingen

133

8.1 8.2 8.3 8.4 8.5

Belasting van de fasen van een driefasen wisselspanningsnet Opgenomen vermogen van de belasting bij sterschakeling Opgenomen vermogen van de belasting bij driehoekschakeling Samenvatting Antwoorden

134 136 143 154 156

9

De PLC in besturingsinstallaties

159

9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9

Toepassing PLC’s Wat is een PLC? Opbouw van een PLC Onderdelen van een PLC Werking input/output Alternatieven voor PLC’s Storingen lokaliseren Samenvatting Antwoorden

160 164 164 167 171 174 176 178 179

10

Ontwerp leidingwaterinstallatie

181

10.1 10.2 10.3 10.4 10.5

Grafische weergave leidingwaterinstallatie Voorschriften Leidingtracés Installatieonderdelen Antwoorden

182 186 189 201 212

11

Luchtbehandelingsinstallatie woningbouw

215

11.1 11.2 11.3 11.4 11.5

Inleiding Luchtbehandelingsinstallatie Soorten en toepassing Werking luchtbehandelingsinstallatie Richtlijnen

215 216 219 222 224

Inhoudsopgave

12

Regeltheorie

227

12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7 12.8 12.9 12.10 12.11

Regelen Processchema regelinstallatie Blokschema regeling Meetorgaan Regelkring Opbouw regelkring Kenmerken van het regelproces Vormen van regelen Regelfuncties Samenvatting Antwoorden

228 232 234 237 239 240 242 255 257 268 269

Š Kenteq

7

8

Inhoudsopgave

1 Projectmatig werken Inleiding In bedrijven worden veel opdrachten uitgevoerd in de vorm van projecten.

Vaak gaat het om complexe en grote opdrachten waarbij veel mensen en geld gemoeid zijn.

Wat voor invloed heb je als projectmedewerker op het eindresultaat?

Hoe kun je het eindresultaat positief beïnvloeden?

Leerdoelen Je • • • • • • •

© Kenteq

kunt: uitleggen wat het werken in projecten inhoudt. uitleggen wat projectmatig werken inhoudt. de kenmerken van een project benoemen. uitleggen volgens welke fasen een project verloopt. uitleggen wie betrokken zijn bij een project. aspecten benoemen die een rol spelen bij het al dan niet slagen van een project. uitleggen wat de rol van controleren inhoudt bij projecten.

9

1.1

Projectmatig werken Bij projecten moet je denken aan bijvoorbeeld het aanleggen van een nieuwe watertechnische installatie in een hotel of het bouwen van een flatgebouw.

Niet alle projecten leiden tot een goed eindresultaat. Soms loopt een project maanden uit, soms kost een project duizenden euro’s meer dan begroot, soms blijkt de oplossing helemaal niet te werken.

Manieren om een taak uit te voeren Er • • •

zijn verschillende manieren waarop je een taak kunt uitvoeren: routinematig improviserend projectmatig

Deze drie manieren van werken staan niet los van elkaar, maar gaan in elkaar over. Bij de start van een project is bijvoorbeeld vaak improvisatie nodig, terwijl aan het einde van het project vaak routinematige handelingen ontstaan.

Routinematig In het dagelijks leven heb je te maken met een groot aantal taken die steeds terugkomen, zoals het lezen en beantwoorden van je mail of het stofzuigen van je huis.

Dergelijke taken, die je onder gelijkblijvende omstandigheden en met gelijkblijvende middelen uitvoert, kun je het beste met een routinematige aanpak uitvoeren; zoals je het altijd doet.

Improviserend Als je iets totaal nieuws onder onbekende omstandigheden en met onbekende middelen moet uitvoeren, ligt improviserend werken het meest voor de hand.

De situatie is nieuw en onbekend en je kunt niet terugvallen op je routines. Je bedenkt dan ter plekke de beste werkmethode op basis van de situatie en de beschikbare middelen.

10

Projectmatig werken

Projectmatig Projectmatig werken ligt tussen de routinematige aanpak en de improviserende aanpak in. Projectmatig werken doe je vaak bij taken waarbij: • het ontwerp niet geheel nieuw is, maar wel nieuwe elementen bevat.

• mensen van verschillende vakgebieden het resultaat samen moeten bereiken.

• je een éénmalige prestatie moet leveren.

• je over beperkte middelen beschikt om het resultaat te bereiken.

Voorbeeld Vakantieplanning

Bij het opzetten van je vakantie heb je de keuze tussen een routinematige, een improviserende of een projectmatige aanpak.

A

Bij een routinematige aanpak kies je ervoor ook dit jaar weer naar een vaste bestemming te gaan volgens een vaste route. Je neemt dezelfde spullen mee als vorig jaar en je bent van plan dezelfde uitstapjes te maken.

Je kunt je budget nauwkeurig vaststellen.

B

Bij een improviserende aanpak maak je een verrassingstocht. Je wilt bijvoorbeeld ‘de zon opzoeken’ of ‘zoveel mogelijk van de wereld zien’. Je stapt gewoon in de auto of op de fiets en begint te rijden. Je past regelmatig de koers aan, afhankelijk van omstandigheden die je tegenkomt en ideeën die in je opkomen. Je kunt je dan niet goed voorbereiden op wat je te wachten staat. Je neemt dus van alles wat mee of je neemt gewoon zoveel mogelijk geld mee in de hoop dat dat voldoende zal zijn.

C

Bij een projectmatige aanpak stel je eerst een doel op, maar niet zo nauwkeurig als bij de routinematige aanpak. Je wilt bijvoorbeeld een strandvakantie, afgewisseld met culturele uitstapjes. Op basis hiervan stel je een aantal eisen op, waaraan je vakantie moet voldoen.

De locatie moet bijvoorbeeld een gebied zijn met zowel zonnige stranden als met steden met interessante culturele bezienswaardigheden. Verder vind je het belangrijk dat het overdag tenminste 25 graden is met veel zon.

Bij het vaststellen van je vakantie heb je naast deze eisen te maken met een aantal randvoorwaarden.

Je hebt bijvoorbeeld de eerste drie weken van augustus vakantie, je wilt maximaal drie uur vliegen en je wilt een hotel waar het personeel Nederlands of Engels spreekt. Als je het daarover eens bent met je reisgenoten, zoek je verschillende vakantiebestemmingen. Als je hieruit een keuze hebt gemaakt, ga je uitzoeken hoe je op je vakantiebestemming komt en wat je allemaal nodig hebt. Je schaft de noodzakelijke spullen aan en dan pas stap je op de fiets of in de auto.

Voorbeeld manieren om een taak uit te voeren

© Kenteq

11

Kenmerken van een project Een project heeft de volgende kenmerken: • Het heeft een duidelijk omschreven doel.

• Het is eenmalig en uniek.

• Het is complex.

• Het is tijdelijk en heeft een duidelijk begin- en eindpunt.

• Het heeft vaak een lange doorlooptijd.

• De benodigde capaciteit en middelen staan vaak niet vast.

• De totale projectduur staat vaak niet vast.

• Bij de voorbereiding en uitvoering van een project zijn vaak verschillende personen, afdelingen of bedrijven betrokken.

1.

Geef van de volgende voorbeelden aan of de manier van werken routinematig, improviserend of projectmatig is.

Voorbeeld

Routinematig, improviserend of projectmatig?

De chef lost een machinestoring, die hij nog nooit eerder heeft meegemaakt, op.

De monteur draait een schroef vast.

Een installatiebedrijf werkt mee aan de realisatie van het Holland House, speciaal voor de Olympische Spelen.

Een productiemedewerker stelt een machine in.

Bij een brand in de fabriekshal probeert de teamleider de juiste dingen te doen.

Het elektrobedrijf werkt samen met allerlei andere mensen aan een speciale elektrische auto voor de carnavalsoptocht.

1.2

Projectfasen Een goede fasering van de werkzaamheden is belangrijk om: • het verloop van het project overzichtelijk te maken.

• de kosten van het project in de hand te houden.

De overgang van de ene fase in de andere fase is dan een mijlpaal, waar beslissingen worden genomen over de voortgang van het project.

12

Projectmatig werken

Projectfasen Een project bestaat uit de volgende fasen: Fase 1. Initiatiefase Fase 2. Definitiefase Fase 3. Ontwerpfase Fase 4. Voorbereidingsfase Fase 5. Realisatiefase Fase 6. Nazorgfase

Fase 1. Initiatiefase In deze fase beslis je of je de taak als beste als project kunt uitvoeren of niet en waarom. Je zet in deze fase de volgende punten op papier: • de doelen die je wilt behalen of de problemen die je wilt oplossen.

• het eindresultaat dat je wilt behalen.

• wat wel en niet tot het projectresultaat gaat behoren.

Fase 2. Definitiefase In deze fase beschrijf je zo concreet en eenduidig mogelijk hoe het eindresultaat eruit gaat zien. Je weet hierdoor precies wat er aan het einde van het project gereed moet zijn. Je houdt rekening met de gestelde eisen en randvoorwaarden. De eisen en randvoorwaarden komen van buiten het project en geven aan waar het eindresultaat in ieder geval aan moet voldoen. De opdrachtgever kan bijvoorbeeld eisen dat de software vanaf iedere werkplek toegankelijk moet zijn of de wet kan voorschrijven dat een machine voorzien moet zijn van een handleiding. Als aan deze eisen niet wordt voldaan mag of kan het resultaat niet worden gebruikt.

Fase 3. Ontwerpfase Centraal in deze fase staat de taak oplossingen te vinden om het gewenste eindresultaat te bereiken. Na afloop van de ontwerpfase moet bekend zijn hoe het eindresultaat er qua vorm en inhoud uit gaat zien, welke onderdelen het zal bevatten enzovoort. Je toont ook aan op welke manier de gekozen oplossing gaat voldoen aan de gestelde eisen en randvoorwaarden, bijvoorbeeld door een prototype te maken.

© Kenteq

13

Fase 4. Voorbereidingsfase In deze fase doe je alles wat nodig is om de realisatiefase vlekkeloos te laten verlopen. Je vertaalt de gekozen oplossing naar een praktisch realiseerbaar eindresultaat. Denk bijvoorbeeld aan inkoop, tijd- en capaciteitenplanningen of veiligheid. Alle hulpmiddelen, materialen en voorschriften moeten aan het einde van deze fase gereed zijn. Alleen dan kun je ongestoord het eindresultaat realiseren. Ook eventuele proefdrukken en dergelijke maak je in deze fase. De voorbereidingsfase is bedoeld om te voorkomen dat je straks in de realisatiefase voor verrassingen komt te staan.

Fase 5. Realisatiefase In deze fase ga je het ontwerp daadwerkelijk maken. Naarmate de voorgaande fasen beter zijn uitgevoerd, zal de realisatie met minder storingen en fouten plaatsvinden.

Het is niet de bedoeling dat je tijdens deze fase nieuwe oplossingen of verfraaiingen bedenkt. Concentreer je op een goede uitvoering van het afgesproken werk. De realisatiefase eindigt wanneer je hebt aangetoond dat het eindresultaat voldoet aan de eisen en randvoorwaarden, zoals je die hebt vastgelegd in fase 2.

Fase 6. Nazorgfase In deze fase gaat het erom dat de klant tevreden is en blijft over het eindresultaat.

Het project is immers alleen geslaagd als het eindresultaat ook gebruikt wordt. In deze fase houd je je bezig met het oplossen van storingen en klachten en het uitvoeren van onderhoudswerkzaamheden.

14

Projectmatig werken

2.

De koninklijke landmacht wil 150 mobiele shelters hebben als EHBO-post.

Er worden verschillende eisen aan de shelters gesteld op het gebied van afmeting, gewicht, uitrusting, comfort en transportmogelijkheden. Dit project bestaat uit verschillende fasen. Verbind de juiste omschrijving met de juiste fase.

Omschrijving

1.3

Projectfase

Tekenen, berekenen, ontwerpen van een prototype, materiaal- en onderdelenlijsten opstellen.

Fase 1. Initiatiefase

Productie, kwaliteitscontrole en aflevering van de shelters.

Fase 2. Definitiefase

Productiefaciliteiten inrichten (routing, extra ruimte, speciale machines), inkoop van materiaal en onderdelen en inrichten van de personele bezetting (vakspecialisme).

Fase 3. Ontwerpfase

Service en onderhoud van de shelters.

Fase 4.

Voorbereidingsfase

Het idee en de doelstelling van de shelter.

Fase 5. Realisatiefase

Concreet opstellen van vereiste functionaliteiten: in welke omstandigheden gaat de shelter gebruikt worden?

Fase 6. Nazorgfase

Betrokkenen in een project Bij een project kunnen verschillende partijen betrokken zijn: • de projectleider • de opdrachtgever • de financier • de projectmedewerkers • derden • eindgebruikers • stakeholders of belangengroepen.

© Kenteq

15

Projectleider De projectleider is de centrale persoon in een project. Hij is de eindverantwoordelijke voor de totstandkoming van het eindresultaat en geeft leiding aan de projectgroep. Een projectleider wordt niet gekozen vanwege bepaalde vakspecifieke kennis. Hij wordt meestal aangesteld vanwege zijn vaardigheden op het gebied van bijvoorbeeld projectorganisatie, projectadministratie, communicatie en leidinggeven.

Van een filmregisseur verwacht je ook niet dat hij beter acteert dan de acteurs en van een dirigent verwacht je niet dat hij beter viool kan spelen dan de violist.

Het is wel belangrijk dat een projectleider enige kennis heeft van het vakgebied, zodat hij zich een beeld kan vormen van aangedragen oplossingen en weloverwogen beslissingen kan nemen.

Opdrachtgever De opdrachtgever verstrekt de opdracht. Hij beslist aan het einde van iedere fase of de projectgroep verder kan gaan. Aan het einde van het project neemt hij het eindresultaat in ontvangst en beslist of het goed genoeg is.

Financier De financier betaalt uiteindelijk de rekening van het project.

Projectmedewerkers Een projectmedewerker wordt aangesteld vanwege zijn deskundigheid of specifieke interessegebied. Ze werken onder de leiding van de projectleider mee aan de totstandkoming van het eindresultaat. Projectmedewerkers kunnen werkzaam zijn binnen de eigen organisatie van de projectleider of ze kunnen worden ingehuurd.

Derden Derden zijn afkomstig van buiten de organisatie van de projectleider en worden ingehuurd voor het leveren van specifieke bijdragen.

Eindgebruikers De eindgebruikers moeten straks met het eindresultaat aan de slag.

Stakeholders of belangengroepen Stakeholders hebben op de een of andere manier belang bij de totstandkoming van het eindresultaat en oefenen daarop invloed uit.

16

Projectmatig werken

3.

1.4

Er wordt gewerkt aan een groot project; de renovatie van een museum.

De gemeente heeft hiertoe opdracht gegeven. Murat Ozan is de eindverantwoordelijke voor het eindresultaat en geeft leiding aan de projectgroep. De kosten van het project worden betaald door de GMG-bank, want zij zijn sponsor van het museum. De vereniging 'Kunst leeft' houdt een oogje in het zeil; zij hebben er belang bij dat dit project goed afloopt. Voor de specifieke werkzaamheden met betrekking tot de kunststukken heeft Murat van buiten Larissa Verheij aangenomen. Van zijn eigen organisatie heeft hij Nadja Schans, Romme Bokel en Ramsey Ruiz aangetrokken vanwege hun deskundigheid op specifieke gebieden.

Verbind de juiste persoon of instelling met de juiste titel.

Persoon of instelling

Titel

Het museum

Projectleider

De gemeente

Opdrachtgever

Murat Ozan

Financier

GMG-bank

Projectmedewerkers

Vereniging Kunst leeft

Derden

Larissa Verheij

Eindgebruiker

Nadja Schans, Romme Bokel en Ramsey Ruiz

Stakeholder

Beheersen van projecten Om een project te laten slagen, moet de projectleider de volgende aspecten goed in de gaten houden: • tijd • geld • kwaliteit • informatie • organisatie.

Tijd Allereerst is het belangrijk dat het project op het afgesproken tijdstip klaar is. Als een project te laat is gerealiseerd, kan dat de nodige schade toebrengen aan de organisatie. Alleen al om dit te voorkomen is tijdbeheersing van wezenlijk belang.

Om ervoor te zorgen dat het project op tijd klaar is, stelt de projectleider in overleg met de betrokkenen een tijdsplanning op.

In deze planning legt hij vast welke projectactiviteit wanneer klaar moet zijn.

© Kenteq

17

Over het algemeen wordt aan het begin van een project een globale tijdsplanning gemaakt voor de verschillende projectfasen. Telkens voordat de ene fase wordt afgesloten moet de gedetailleerde planning voor de volgende fase gereed zijn. De projectleider bewaakt tijdens iedere fase de voortgang van de activiteiten. Bij eventuele afwijkingen op de tijdsplanning schat hij in wat de gevolgen zijn voor andere activiteiten. Als het nodig is stelt hij de tijdsplanning bij of zet hij meer of minder capaciteit in. Naarmate het project verder komt, wordt de tijdsplanning steeds nauwkeuriger en zijn afwijkingen steeds minder toegestaan.

Voorbeeld Een tijdsplanning van ĂŠĂŠn projectactiviteit kan er bijvoorbeeld als volgt uitzien: A

B

C

D

E

F

G

Hierbij betekenen de letters het volgende: A. Omschrijving activiteit B. Vroegst mogelijke start C. Geschatte tijdsduur D. Vroegst mogelijk einde E. Laatst mogelijke start F. Speling geschatte tijdsduur (marge) G. Laatst mogelijk einde Stellen kozijnen

Riolering en GEB leidingen aanleggen 13

2

15

18

3

21

16

3

18

25

7

28

Metselen

Aanbrengen BG vloeren

15

5

18

18

20

38

13

-

18

18

-

38

Voorbeeld tijdsplanning projectactiviteiten

18

Projectmatig werken

Geld Een tweede aspect dat belangrijk is bij het slagen van een project is geld. De projectleider moet ervoor zorgen dat het project economisch rendabel wordt uitgevoerd. Dat houdt in dat de kosten lager zijn dan de opbrengsten, zodat het bedrijf winst maakt.

Budget Kosten voor mankracht, materialen en middelen moeten in een zo vroeg mogelijk stadium worden gebudgetteerd en goedgekeurd. Tijdens het verloop van het project toetst de projectleider regelmatig het budget aan de hand van kostenregistraties en verwachtingen.

Ook de opbrengsten van het project moeten worden ingeschat. Bij projecten waarbij wordt gewerkt met een vaste prijs, ligt de opbrengst min of meer vast. Bij projecten waarbij de opbrengsten afhangen van bijvoorbeeld het koopgedrag van consumenten, moeten de opbrengsten worden geschat. Dit gebeurt bijvoorbeeld aan de hand van marktrapporten en omzetplannen. Tijdens het verloop van het project toetst de projectleider regelmatig of de opbrengstverwachting bijgesteld moet worden.

Kwaliteit Het project moet aan een aantal kwaliteitseisen voldoen voordat het kan slagen.

Kwaliteitseisen kunnen toetsbaar of niet-toetsbaar zijn.

Toetsbare kwaliteitseisen Toetsbare kwaliteitseisen kun je meten. Je kunt de kwaliteit van het eindresultaat naast de kwaliteitseisen leggen en gemakkelijk zien of de geëiste kwaliteit gehaald is.

Niet-toetsbare kwaliteitseisen Niet-toetsbare kwaliteitseisen kun je moeilijk meten. Bijvoorbeeld: • dat een gebouw in de omgeving moet passen • dat de nieuwe huisstijl modern moet zijn • dat het systeem optimaal moet aansluiten op bestaande systemen.

Vragen die bij het toetsen aan deze eisen naar boven komen zijn: – Wanneer past het gebouw in de omgeving – Wie moeten de huisstijl modern vinden en wat versta je dan onder modern?

© Kenteq

19

–

Welke bestaande systemen en hoe aan te sluiten? En wat is dan precies optimaal?

Er bestaat verschil tussen de betekenis van kwaliteit in het dagelijks leven en de betekenis van kwaliteit bij projecten. In het eerste geval betekent kwaliteit zoiets als goed, waar voor je geld of betrouwbaar. Maar dit is vaag en niet-meetbaar. Daarom is kwaliteit bij projecten de mate waarin het eindresultaat voldoet aan de gestelde (kwaliteits)eisen. Deze eisen moeten dan wel zo worden opgesteld dat ze inderdaad meetbaar zijn.

Informatie Tijdens een project ontstaan voortdurend gegevens. Niet alle gegevens zijn even belangrijk en of niet voor alle projectleden van belang. Het is belangrijk deze informatiestromen in goede banen te leiden, zodat er geen belangrijke informatie verloren gaat of bepaalde projectleden niet bereikt. De projectleider zorgt ervoor dat afspraken, procedures, coderingen, verantwoordelijkheden, technische specificaties en dergelijke systematisch worden vastgelegd. Hij beslist wie verantwoordelijk is voor het archiveren van beslissingen, wie welke documenten mag wijzigen en wie toegang heeft tot welke documenten.

Organisatie Om een project goed te laten verlopen is het belangrijk dat alle projectleden weten: • wie welke werkzaamheden verricht • wat de bevoegdheden van iedereen zijn • wie waarvoor verantwoordelijk is.

20

Projectmatig werken

Teamgeest Daarnaast moet de projectleider ervoor zorgen dat iedereen gemotiveerd is en dat er een goede teamgeest heerst.

Hij zorgt ervoor dat misverstanden uit de weg worden geruimd, dat problemen worden opgelost en dat onderlinge conflicten worden uitgepraat.

De relatie met andere betrokkenen, zoals de opdrachtgever of de moederorganisatie, is ook een belangrijk aandachtspunt voor de projectleider.

Door verantwoordelijkheden en bevoegdheden van de verschillende partijen van tevoren vast te leggen, worden veel problemen voorkomen.

4.

Schrijf vier aspecten op die een projectleider goed in de gaten moet houden om een project te laten slagen.

5.

Geef van twee aspecten aan waarom het zo belangrijk is dat de projectleider ze goed in de gaten houdt.

Controleren Bij een groot project zijn meerdere mensen betrokken. Ze werken gelijktijdig en na elkaar aan verschillende onderdelen. Er is een projectleider (of projectmanager) die al het werk overziet, plant en bijstuurt. De uitvoerders werken met verschillende materialen en apparaten. Vaak werkt de ene persoon verder met de uitkomsten van de werkzaamheden van de ander. Uitvoerders worden daardoor elkaars interne klanten.

Š Kenteq

21

Het gevolg is dat de projectleider na elke stap moet controleren of de norm gerealiseerd is. Zodra ergens een afwijking ontstaat, of als blijkt dat de planning niet klopt, dan moet er gecorrigeerd worden. Als dit niet gebeurt, ontstaat er chaos en vertraging.

Normen Om de kwaliteit te kunnen controleren moet je beschikken over een norm.

De norm geeft de standaard: hoe moet het werk er in de ideale situatie uitzien?

Omdat de ideale situatie vaak niet gerealiseerd kan worden, moet de norm ook aangeven (in woord en/of getal) in hoeverre het werk mag afwijken van de standaard.

Met andere woorden: welke afwijkingen worden nog getolereerd?

Bij ingewikkelde projecten wordt er voortdurend tijdens het proces gemeten en bijgestuurd.

Dat ziet er in schemavorm als volgt uit:

Project als werkproces

Voorbeeld Een voorbeeld van een project dat op deze wijze kan worden bestuurd is de bouw van een huis. Dit begint met het maken van tekeningen, een begroting en de verlening van vergunningen. Elk onderdeel van het proces moet gecontroleerd worden door middel van een meting. Want stel bijvoorbeeld dat de bouwtekeningen niet realistisch zijn, of dat er geen vergunning wordt verleend, dan kan dit leiden tot technische problemen bij de bouw en kostenoverschrijdingen.

Controleren Het controleren in een project vindt plaats op basis van formulieren van de uitvoerenden.

Uitvoerenden kunnen ook op een andere manier afwijkingen rapporteren: • per telefoon • mondeling • per e-mail.

22

Projectmatig werken

Het regelen en controleren kunnen door dezelfde persoon worden ingevuld. In de praktijk zijn er vaak verschillende personen die deze rollen vervullen, bijvoorbeeld de aannemer, de werkvoorbereider, de opdrachtgever, de onderaannemers enzovoort.

Dit heeft tot gevolg dat: • het invullen van formulieren en werkbriefjes erg belangrijk is voor de sturing van het werkproces • het overleg over afwijkingen tussen uitvoerder en aanstuurder ingewikkelder is • personen die regelen en sturen veel moeten afspreken en afstemmen • alle betrokkenen niet alleen moeten beschikken over vakmanschap maar ook over goede communicatieve kwaliteiten.

6.

© Kenteq

Wat is de functie van het controleren?

23

1.5

Samenvatting Er • • •

zijn verschillende manieren waarop je een taak kunt uitvoeren: routinematig improviserend projectmatig.

Een project heeft de volgende kenmerken: • Het heeft een duidelijk omschreven doel.

• Het is eenmalig en uniek.

• Het is complex.

• Het is tijdelijk en heeft een duidelijk begin- en eindpunt.

• Het heeft vaak een lange doorlooptijd.

• De benodigde capaciteit en middelen staan vaak niet vast.

• De totale projectduur staat vaak niet vast.

• Bij de voorbereiding en uitvoering van een project zijn vaak verschillende personen, afdelingen of bedrijven betrokken.

Een project bestaat uit de volgende fasen: Fase 1. Initiatiefase Fase 2. Definitiefase Fase 3. Ontwerpfase Fase 4. Voorbereidingsfase Fase 5. Realisatiefase Fase 6. Nazorgfase Bij een project kunnen de volgende partijen betrokken zijn: • de projectleider • de opdrachtgever • de financier • de projectmedewerkers • derden • eindgebruikers • stakeholders of belangengroepen.

Om een project te laten slagen, moet de projectleider de volgende aspecten goed in de gaten houden: • tijd • geld • kwaliteit • informatie • organisatie.

De projectleider moet na elke stap controleren of de norm gerealiseerd is. Zodra ergens een afwijking ontstaat, of als blijkt dat de planning niet klopt, dan moet er gecorrigeerd worden. Als dit niet gebeurt, ontstaat er chaos en vertraging.

24

Projectmatig werken

1.6

Antwoorden Antwoord 1 Voorbeeld

Routinematig, improviserend of projectmatig?

De afdelingschef lost een machinestoring, die hij nog nooit eerder heeft meegemaakt, op.

Improviserend

De monteur draait een schroef vast.

Routinematig

Een installatiebedrijf werkt mee aan de realisatie van het Holland House, speciaal voor de Olympische Spelen.

Projectmatig

Een productiemedewerker stelt een machine in.

Routinematig

Bij een brand in de fabriekshal probeert de teamleider de juiste dingen te doen.

Improviserend

Het elektrobedrijf werkt samen met allerlei andere mensen aan een speciale elektrische auto voor de carnavalsoptocht.

Projectmatig

Antwoord 2 Omschrijving

Projectfase

Fase 1. Initiatiefase

Het idee en de doelstelling van de shelter.

Concreet opstellen van vereiste functionaliteiten: in welke omstandigheden gaat de shelter gebruikt worden?

Fase 2. Definitiefase

Tekenen, berekenen, ontwerpen van een prototype, materiaalen onderdelenlijsten opstellen.

Fase 3. Ontwerpfase

Productiefaciliteiten inrichten (routing, extra ruimte, speciale ma- Fase 4. Voorbereidingsfase chines), inkoop van materiaal en onderdelen en inrichten van de personele bezetting (vakspecialisme).

Productie, kwaliteitscontrole en aflevering van de shelters.

Fase 5. Realisatiefase

Service en onderhoud van de shelters.

Fase 6. Nazorgfase

Antwoord 3 Persoon/instelling

Murat Ozan

Š Kenteq

Titel

Projectleider

De gemeente

Opdrachtgever

GMG-bank

Financier

Nadja Schans, Romme Bokel en Ramsey Ruiz

Projectmedewerkers

Larissa Verheij

Derden

Het museum

Eindgebruiker

Vereniging Kunst leeft

Stakeholder

25

Antwoord 4 1. Tijd 2. Geld 3. Kwaliteit 4. Informatie 5. Organisatie Antwoord 5 1.

Tijd.

Als een project te laat is gerealiseerd, kan dat de nodige schade toebrengen aan de organisatie.

2.

Geld.

De projectleider moet ervoor zorgen dat de kosten lager zijn dan de opbrengsten, zodat het bedrijf winst maakt.

3.

Kwaliteit.

Het project moet aan de door de klant gestelde kwaliteitseisen voldoen.

4.

Informatie.

Het mag niet gebeuren dat belangrijke informatie verloren gaat of bepaalde projectleden niet bereikt.

5.

Organisatie.

Er worden veel problemen voorkomen als: • alle projectleden weten wie welke werkzaamheden verricht, wat de bevoegdheden van iedereen zijn en wie waarvoor verantwoordelijk is • als de teamgeest goed is • als alle verantwoordelijkheden en bevoegdheden van de verschillende partijen van tevoren worden vastgelegd.

Antwoord 6 Bij het controleren wordt getoetst of de voortgang van het project voldoet aan de normen. Als er afwijkingen ontstaan dan wordt dit doorgegeven aan degenen die verantwoordelijk zijn voor het regelen en organiseren.

26

Projectmatig werken

2 Plannen van activiteiten Inleiding Om ervoor te zorgen dat opdrachten en projecten op tijd kunnen worden afgerond, gebruiken organisaties activiteitenplanningen.

Soms werk je met een bestaande planning. Andere keren moet je er zelf eentje maken.

Activiteitenplanning

Leerdoelen Je • • • • • •

2.1

kunt: uitleggen welke planningsmethoden er bestaan. uitleggen hoe deze planningsmethoden werken. uitleggen wat een activiteitenlijst is. de onderdelen van een activiteitenlijst benoemen. een activiteitenplanning lezen. een activiteitenplanning maken.

Planningen Als je gaat beginnen met een opdracht of een project, moet je een planning maken voor de uitvoering ervan. Deze planning heb je nodig om in te schatten hoeveel tijd je nodig hebt om de opdracht tot een goed einde te brengen. Tijdens de uitvoering gebruik je de planning om te zien of alles volgens plan verloopt. Als je achterloopt op je planning, kun je direct ingrijpen.

© Kenteq

27

Soorten planningen Planningen kunnen betrekking hebben op: • activiteiten • capaciteiten: beschikbare mensen, machines, ruimte • producten en diensten • financiën.

1.

2.2

Wat is een ander woord voor de planning van de financiën?

Kruis het juiste antwoord aan. □ begroting □ capaciteit □ investering □ resultaat

Methoden voor het plannen van activiteiten Activiteiten kun je op twee manieren plannen. Je maakt gebruik van een strokenplanning of je kiest voor een netwerkplanning.

Strokenplanning Een strokenplanning is een planning waarin je met stroken werkt.

De lengte van de stroken geeft de doorlooptijd van de activiteit aan.

Strokenplanning

De strokenplanning staat ook wel bekend als: • het balkenschema • het doorloopschema • het tijdschema • de tijdlijnserie • het staafdiagram • de Gannt kaart.

28

Plannen van activiteiten

Activiteitenlijst Voordat je een strokenplanning maakt, stel je eerst een activiteitenlijst op.

In de activiteitenlijst zet je alle activiteiten die je moet uitvoeren onder elkaar. De volgorde van de activiteiten maakt nu nog niet uit. Je stelt de vraag ‘Wat moet er gebeuren?’

Een activiteitenlijst heeft tenminste vier onderdelen: • een activiteitnummer: een nummer waaraan je de activiteiten kunt herkennen en waarnaar je kunt verwijzen • een activiteitbenaming: een korte aanduiding van de activiteit • een activiteit omschrijving: een korte, heldere omschrijving van de activiteit • een doorlooptijd: de tijd die verloopt tussen het begin en het einde van de activiteit.

Act. nr

Activiteit benaming

Activiteit omschrijving

Doorlooptijd (min.)

1

werktekeningen

maken werktekeningen

30

2

berekening

berekening leidingmiddellijn

30

3

sparingstekening

maken sparingstekening

20

4

sparingen

sparingen zetten in metselwerk

40

5

magazijn

materialen uit magazijn halen

10

6

leidingen

monteren leidingen (ww/kw)

30

7

afvoer

aanbrengen riolering

20

8

afpersen

afpersen van de leidingen

20

9

wastafel

ophangen van de wastafel

30

aansluiten

monteren en aansluiten van de kranen en sifons

40

10

270 Voorbeeld activiteitenlijst

Activiteiten in de goede volgorde zetten Nadat je de activiteitenlijst hebt opgesteld, kun je een balkenschema maken. Hiervoor zet je eerst de activiteiten uit de activiteitenlijst in de goede volgorde. Je stelt de vraag, ‘Hoe moet het gebeuren?’.

Tijdschaal kiezen Vervolgens kies je een handige tijdschaal. Als je een project hebt met een doorlooptijd van 10 dagen, gebruik je een schaal in dagen. Als de doorlooptijd 15 maanden is, kun je beter een schaal in maanden gebruiken.

© Kenteq

29

Verder moet je bepalen of je de schaal wilt koppelen aan de jaarkalender. Dit is nodig als je specifieke data in je planning wilt aangeven.

Verschillende tijdschalen voor een balkenschema

2.

Project ABC begint op maandag 23 september (week 39) en loopt door tot 16 december (week 51).

Welke tijdschaal kies je voor dit project? □ Tijdschaal in weken met een direct verband met de jaarkalender. □ Tijdschaal in werkdagen. □ Tijdschaal onafhankelijk van de datum waarop begonnen is.

Balkenschema invullen Je kunt nu het balkenschema invullen met open balken. De lengte van de balken geeft hierbij de doorlooptijd van de activiteit aan.

Capaciteit bepalen Vaak zijn er verschillende mensen betrokken bij de uitvoering van de activiteiten. De strokenplanning kun je gebruiken om het benodigde aantal mensen (de capaciteit) te bepalen. Deze capaciteit hangt af van het aantal activiteiten dat op een bepaald moment gelijktijdig in uitvoering is.

Als er meerdere mensen tegelijk aan de activiteiten gaan werken, verandert de strokenplanning. Sommige activiteiten kunnen dan eerder beginnen of zelfs tegelijkertijd worden uitgevoerd.

Voortgangscontrole In werkelijkheid verlopen de activiteiten niet altijd zoals gepland. Daarom moet je tijdens de uitvoering van de activiteiten goed in de gaten houden in hoeverre van de planning wordt afgeweken.

30

Plannen van activiteiten

Verwerking in de strokenplanning

Je kunt (de resultaten van) de controle op verschillende manieren verwerken in de strokenplanning: • Je kunt het moment aangeven waarop je naar de stand van zaken kijkt.

Dit doe je door een gedeelte van de tijdschaal in te kleuren of door een verticale stippellijn te trekken op het tijdstip van controle.

• Je kunt aangeven in hoeverre de activiteiten zijn afgerond.

Dit doe je door de balkjes geheel of gedeeltelijk in te kleuren.

• Je kunt aangeven wanneer in werkelijkheid aan de activiteiten is gewerkt.

Dit doe je door een lijn boven de betreffende balken te trekken.

Voorbeeld Aan de strokenplanning kun je zien dat: • activiteiten 1, 2, 3 en 5 zijn afgerond • activiteit 2 meer tijd heeft gekost dan gepland • er later met activiteit 3 is gestart dan gepland • dat er daardoor ook later met activiteit 4 is gestart • activiteit 4 daardoor nog maar voor de helft is uitgevoerd in plaats van voor 75% • activiteit 6 nog maar voor 25% gereed is.

Strokenplanning

Uit de strokenplanning blijkt dus dat er een achterstand is in de werkzaamheden. Een aantal activiteiten heeft meer tijd gekost dan gepland. Hier kan bij een volgende planning rekening mee gehouden worden.

3.

Vul de juiste antwoorden in.

Activiteiten ____ en ___ zijn afgerond.

Activiteit ___ heeft meer tijd gekost dan gepland.

Met activiteit 2 is ________ gestart dan gepland.

Daardoor is er ook later met activiteit ___ gestart.

Activiteit 4 is daardoor nog maar voor ___ % uitgevoerd in plaats van voor 75%.

© Kenteq

31

Netwerkplanning Netwerkplanningen worden gebruikt voor de planning, voortgangscontrole en procesbewaking van grote en complexe projecten. In een netwerkplanning gebruik je een structuur/netwerk om de samenhang en de volgorde van de verschillende activiteiten weer te geven.

Doel netwerkplanning De doelstellingen van netwerkplanning zijn het bereiken van: • een zo kort mogelijke projectduur • de afgesproken leveringstijd • een zo gelijkmatig mogelijke bezetting van de beschikbare capaciteit • een zo goedkoop mogelijke uitvoering.

Technieken van netwerkplanning Er bestaan twee verschillende technieken van netwerkplanning. Bij de eerste techniek worden activiteiten met pijlen aangegeven. Het einde van een activiteit of deelproces wordt weergegeven met een cirkel. Voorbeelden van deze techniek zijn: • CPM (Critical Path Methode ofwel kritieke pad methode) • PERT (Program Evaluation and Review Technique)

32

Plannen van activiteiten

Bij de tweede techniek zijn de activiteiten knooppunten. Deze worden met een rechthoek aangegeven. De relaties tussen de activiteiten worden aangegeven met pijlen.

Voorbeelden van deze techniek zijn: • MPM (Metra Potential Method) • Precedence.

Precedence-netwerk

Structuuranalyse Om een netwerkplanning op te kunnen stellen, moet je een structuuranalyse uitvoeren. In de structuuranalyse splits je het project op in delen en plaats je deze in een logische volgorde. Door middel van de structuuranalyse krijg je inzicht in de onderlinge samenhang tussen alle afzonderlijke activiteiten.

Tijddoorrekening Om de tijdsduur van het project te kunnen bepalen, moet je eerst de verwachte tijdsduur van alle afzonderlijke activiteiten vaststellen. De tijdsduur van het project wordt bepaald door de langste keten van activiteiten in het netwerk. Dit noem je ook wel het ‘kritieke pad’. Zodra in de activiteiten op het kritieke pad vertragingen voorkomen, wordt de projectduur verlengd. Je kunt de tijdsduur van het project berekenen door de tijdsduur van alle activiteiten op het kritieke pad bij elkaar op te tellen.

Als uit deze berekening blijkt dat het uitvoeren van het project te veel tijd gaat kosten, zul je activiteiten op het kritieke pad moeten aanpassen. Je kunt de tijdsduur van deze activiteiten verkorten door bijvoorbeeld: • meer arbeidskrachten in te zetten • andere gereedschappen en/of materialen te kiezen • andere werkmethoden te kiezen.

© Kenteq

33

4.

Wat is de tijdsduur van dit project? □ □ □ □

2.3

10 12 14 21

dagen dagen dagen dagen

Samenvatting Planningen kunnen betrekking hebben op: • activiteiten • capaciteiten: beschikbare mensen, machines, ruimte • producten en diensten • financiën.

Activiteiten kun je op twee manieren plannen, namelijk: • met een strokenplanning • met een netwerkplanning.

Een strokenplanning is een planning waarin je met stroken werkt. De lengte van de stroken geeft de doorlooptijd van de activiteit aan.

In een netwerkplanning maak je gebruik van een structuur of netwerk om de samenhang en de volgorde van de verschillende activiteiten weer te geven. Om een netwerkplanning op te kunnen stellen, moet je een structuuranalyse uitvoeren.

Je kunt de tijdsduur van het project berekenen door de tijdsduur van alle activiteiten op het kritieke pad bij elkaar op te tellen. Zodra in de activiteiten op het kritieke pad vertragingen voorkomen, wordt de projectduur verlengd. Je kunt de tijdsduur van de activiteiten verkorten door: • meer arbeidskrachten in te zetten • andere gereedschappen/ materialen te kiezen • andere werkmethoden te kiezen.

34

Plannen van activiteiten

2.4

Antwoorden Antwoord 1 begroting Antwoord 2 Tijdschaal in weken met een direct verband met de jaarkalender.

Antwoord 3 Activiteiten 1 en 2 zijn afgerond.

Activiteit 1 heeft meer tijd gekost dan gepland.

Met activiteit 2 is later gestart dan gepland.

Daardoor is er ook later met activiteit 3 gestart.

Activiteit 4 is daardoor nog maar voor 25% uitgevoerd in plaats van voor 75%.

Antwoord 4 14 dagen

Š Kenteq

35

36

Plannen van activiteiten

3 Materiaalfabricage Inleiding Staal is een belangrijk en veelzijdig ferrometaal. Het wordt onder andere gebruikt voor het maken van carrosserieplaten, frames en constructies.

Je kunt staal in veel verschillende productvormen kopen. Bijvoorbeeld als staf, strip, plaatstaal en profielen. Er zijn ook veel verschillende staalsoorten, met specifieke materiaaleigenschappen.

Staalfabricage

Ook non-ferrometalen hebben bijzondere eigenschappen. Aluminium is het meest gebruikte non-ferrometaal. Het is voor veel toepassingen een goede vervanger van staal. Maar ook lood, tin, nikkel, zink, koper (en hun legeringen) zijn door hun materiaaleigenschappen vaak een interessante optie.

Kunststoffen worden gemaakt van natuurlijke grondstoffen, zoals aardgas en aardolie.

Er zijn zeer veel verschillende soorten kunststoffen ontwikkeld, met uiteenlopende materiaaleigenschappen. Met kunststoffen zijn snel ingewikkelde productvormen te maken.

Staal, non-ferrometalen en kunststoffen worden gefabriceerd volgens verschillende fabricageprocessen.

Leerdoelen Je • • •

© Kenteq

kunt: uitleggen hoe ruwijzer en staal worden gefabriceerd uitleggen hoe niet-ijzer metalen worden gefabriceerd uitleggen hoe kunststoffen worden gefabriceerd.

37

3.1

Staalfabricage Staal is geen natuurlijke grondstof. Het is een legering van ijzer en koolstof, waarbij het koolstofgehalte niet hoger mag zijn dan 1,5%. Als het koolstofgehalte hoger is (2 4%), noem je het gietijzer.

IJzer is een grondstof voor staal. Het wordt gewonnen uit ijzererts, dat wereldwijd uit mijnen wordt gehaald. Het ijzererts wordt via schepen en spoorwegen naar staalproducenten getransporteerd.

Tata Steel in IJmuiden is zo'n staalproducent. Er werken ongeveer 9000 mensen, die samen jaarlijks meer dan 7 miljoen ton staal produceren.

Een staalproducent maakt van het ijzererts eerst ruwijzer. Ruwijzer is de grondstof voor de productie van staal en gietijzer. Van het ruwijzer worden verschillende staalsoorten gemaakt, die worden gegoten en gewalst tot verschillende producten.

Tata Steel in IJmuiden

Ruwijzerproductie IJzererts is gesteente waarin het ijzer zich in gebonden vorm bevindt. Het is niet eenvoudig om het ijzer uit het gesteente te halen. Het erts moet eerst chemisch worden behandeld en daarna nog worden gezuiverd. Vroeger werden het ijzererts samen met een aantal andere stoffen direct verwerkt tot ruwijzer. Staaldeskundigen kwamen tot de conclusie dat een voorbehandeling een hogere opbrengst oplevert.

Tijdens de voorbehandeling worden van het ijzererts sinters en pellets gemaakt. Dit zijn poreuze brokken die veel zuurstof doorlaten. Dat is belangrijk om zoveel mogelijk ijzer uit het erts te kunnen halen met zo weinig mogelijk energie. Je krijgt op deze manier ook een betere staalkwaliteit, omdat alle stoffen goed zijn verdeeld over de sinters of pellets.

Sinteren Het ijzererts wordt eerst in kleine stukken gebroken, van ongeveer 5 cm in doorsnede.

De brokken ijzererts worden dan vermengd met poederkool. Dit kun je vergelijken met fijngemalen houtskool. Er wordt ook klei en kalksteen toegevoegd aan het mengsel. Deze stoffen helpen de gesteenten te scheiden van het ijzer.

Het mengsel wordt op een lopende band gestort die het naar een oven transporteert. In de oven wordt het mengsel gebakken tot een soort 'koek'.

Het is een grote poreuze en harde brok geworden. Deze 'koek' wordt afgekoeld en opnieuw gebroken. De stukken zijn nu groter dan de ertsbrokken: 20 tot 40 cm in doorsnede. Dit zijn sinters.

Sinters

38

Materiaalfabricage

Pellets Kleine brokken ijzererts (kleiner dan 1 mm) en gruis kunnen moeilijk worden gesinterd. Ze worden met water, bindmiddelen, poederkool en kalksteen gemengd tot een klei-achtige klomp. De klomp wordt in een grote trommel gedroogd en omgevormd tot pellets.

Pellets zijn een soort knikkers met een diameter van 10 tot 30 mm. De pellets worden gebakken in een oven en zijn dan klaar voor verdere verwerking.

Pellets

Hoogoven De sinters en pellets gaan samen met kalk en cokes (gezuiverd steenkool) in een hoogoven. Een hoogoven is een 80 meter hoge verticale oven, die van binnen bekleed is met vuurvaste steen. Vulwagens met sinters, pellets, kalk en cokes worden om-enom over een lopende band omhoog getrokken. Een doseerinstallatie regelt de toevoer van deze stoffen, zodat er een goede menging ontstaat.

Hoogoven 1 Sinters en pellets

8 Slak

14 Rookgasafvoer

2 Cokes

9 Vloeibaar ruwijzer

15 Luchttoevoer

3 Lopende band

10 Slakafvoer

16 Poederkool

4 Vulopening met klep

11 Rijdende menger

17 Cokesoven

5 Laag cokes

12 Stoffilter

18 Cokesmenger

6 Lagen sinters en pellets

13 Windverhitters

19 Gasafvoer hoogoven

7 Hete luchttoevoer (1200°)

Van onderen wordt hete lucht in de hoogoven geblazen. Deze lucht wordt voorverwarmd in windverhitters. De cokes ontbranden door de hoge temperatuur van de lucht. De temperatuur midden in de oven stijgt daardoor tot wel 2300°C, waardoor de sinters en de pellets smelten. Daarbij komt vloeibaar ruwijzer vrij, dat vervolgens naar beneden zakt. © Kenteq

39

De hete verbrandingsgassen in de oven (o.a. CO) stijgen op. Ze nemen tijdens het opstijgen zuurstof op uit het ijzererts. Dit noem je reduceren. Door het reduceren blijft er zuiver ruwijzer over. Het zuivere ruwijzer wordt regelmatig afgetapt en per rijdende menger (treinwagon) naar de staalfabriek getransporteerd. Het vloeibare ruwijzer heeft dan nog steeds een temperatuur van Âą 1500ÂşC. Er ontstaat bij dit proces ook een restproduct: de slak. Dit zijn gesmolten onzuivere stoffen uit de sinters en pellets. De slak wordt regelmatig afgetapt en verder bewerkt.

Het materiaal is bijvoorbeeld geschikt voor de fabricage van cement en de asfaltering van wegen.

De verbrandingsgassen die ontstaan worden ook opgevangen en opnieuw gebruikt.

Bijvoorbeeld voor de opwekking van elektriciteit of voor de opwarming van de toevoerlucht.

Een overzicht van de dagproductie (24 uur) van een hoogoven: 5000 ton ijzerts + 1500 ton cokes + 750 ton kalkzandsteen + 8000 ton lucht leveren op: 1800 ton ruwijzer + 3000 ton slak + 10.000 ton verbrandingsgas Hisarna-technologie De Hisarna-technologie is een nieuwe ontwikkeling op het gebied van ruwijzerproductie. Door een andere manier van verhitten zijn hierbij geen sinters, pellets en cokes meer nodig. Het ijzererts kan direct in een nieuw type oven (Cycloonoven) worden gesmolten. Doordat de voorbehandeling van ijzererts wegvalt, neemt het energieverbruik af. Daardoor kan de CO2-uitstoot tot 20 % afnemen.

Hoogoven en cycloonoven

Door de vorm van de oven ontstaat er bovenin een wervelwind (cycloon) van hete lucht zodra de oven wordt verhit. De reductie van het aangevoerde ijzererts vindt direct plaats door de hitte van de cycloon en doordat de zuurstof bovenin wordt aangevoerd. Het ruwijzer wordt door de centrifugale krachten tegen de wanden van de oven geslingerd en drupt naar beneden, waar het wordt opgevangen.

40

Materiaalfabricage

Van ruwijzer tot staal Het ruwijzer dat uit de hoogoven komt is nog niet bruikbaar. Er zitten namelijk nog te veel koolstof (± 4 %) en verontreinigingen in. Zou je het afkoelen, dan is het heel hard en extreem bros. Het te veel aan koolstof moet daarom uit het ruwijzer worden gehaald, zodat er staal ontstaat. Het omzetten van ruwijzer in staal wordt tegenwoordig voornamelijk gedaan met het oxystaalproces of het elektrostaalproces.

Om ijzer met minder koolstof over te houden (staal), wordt het gesmolten ruwijzer geoxideerd. De koolstof bindt zich met zuurstof tot gas. Ook andere stoffen (verontreinigingen) zoals mangaan, silicium, zwavel en fosfor, kunnen voor een groot deel verwijderd worden.

Oxystaalproces Bij het oxystaalproces worden convertors gebruikt. Dit zijn een soort peervormige ovens, die gevuld worden met ruwijzer en maximaal 25% schroot. Een convertor bestaat van binnen uit vuurvaste steen.

Er gaat 10 tot 300 ton ruwijzer en schroot in een convertor. Het schroot zorgt ervoor dat de temperatuur niet te hoog oploopt. Staal kan hierdoor uitstekend gerecycled worden.

Oxystaalconvertor wordt gevuld

Door bijvoorbeeld aluminium, mangaan, fosfor en titaan toe te voegen, kan de uiteindelijke legering worden bepaald. Verder kan men met deze stoffen de kwaliteit van de staalsoort beïnvloeden.

Men laat een staaf (lans) zakken in de convertor, die zuivere zuurstof blaast op het bad van vloeibaar ruwijzer en schroot. Daardoor verbrand het koolstof in het ruwijzer.

De lans is hol, omdat deze met water gekoeld moet worden. Na het verwijderen van het overschot aan koolstof is het ruwijzer omgezet in staal.

Met het oxystaalproces kan binnen drie kwartier 300 ton ruwijzer worden verwerkt tot staal. Dit staal is nog gietklaar. Het bevat nog verontreinigingen zoals zwavel, nikkel en koper en opgeloste gassen. Deze worden uit het staal gehaald in een aantal nabewerkingen.

Elektrostaalproces Tata Steel gebruikt geen elektro-ovens om ruwijzer te raffineren. Toch is het elektrostaalproces een veelgebruikt proces om staal te maken. Met het elektrostaalproces kunnen (net als met het oxystaalproces) zuivere staalsoorten worden gemaakt. Met de elektro-oven kan men ook een grote verscheidenheid aan staalsoorten maken. Hoewel het elektrostaalproces zeer nauwkeurig te regelen is en het een goede staalkwaliteit oplevert, is het energieverbruik erg hoog.

© Kenteq

41

Een elektro-oven heeft een vorm van een kom. De oven wordt eerst gevuld met ruwijzer en schroot. Het schroot is vooraf zorgvuldig geselecteerd. Op de kom wordt een draaibaar deksel gezet met daarin drie elektroden van grafiet. Een elektrische spanning op de elektroden zorgt ervoor dat er een vlamboog ontstaat tussen de elektroden en het vloeibare bad. Door de hitte van de vlamboog smelt de inhoud van de oven.

De koolstof in het staal verbrand door zuurstof aan de oven toe te voeren.

Elektro-oven

Gieten en walsen Nu het staal het juiste koolstofgehalte en de juiste samenstelling heeft, kan het verder worden verwerkt tot diverse eindproducten. Meestal wordt het gegoten volgens het continugietproces en daarna gewalst in de walserij. Er is ook een nieuwe techniek in opkomst waarbij deze bewerkingen gecombineerd worden: de Direct Sheet Plant.

Continugieten Het meeste staal wordt via het continugietproces verder verwerkt. Het vloeibare staal wordt hierbij eerst in een verdeelbak gegoten. Het stroomt door een watergekoelde koperen ring (de gietvorm). Het stolproces komt op gang doordat het staal tegen de koude koperen wand stolt. Het temperatuurverschil tussen het vloeibare staal en het koper is zo groot, dat het staal zeer snel stolt. Het gekoelde staal wordt verder naar beneden geleidt en nog verder gekoeld door er rondom water tegenaan te spuiten. Het staal wordt door de rollen gebogen en getransporteerd. Aan het einde van de band wordt een streng staal in plakken of staven van Âą 12 meter gesneden, met behulp van autogeen snijderbranders. De plakken of staven worden daarna rustig afgekoeld en door de warmbandwalserij gevoerd.

Continugietproces

42

Materiaalfabricage

Plakken zijn platte producten waarvan bijvoorbeeld band- en plaatmateriaal wordt gevormd of gewalst. Van de lange staven kunnen profielen worden gemaakt. Bijvoorbeeld I-, U- of H-balken en rond, vierkant of zeskantig staal.

Het continugietproces is een effectieve gietmethode. Op deze manier kan men grote strengen staal uit één stuk maken.

De verliezen zijn erg klein, dus de opbrengsten groot. Een groot voordeel is ook dat het proces kan worden geautomatiseerd.

Rustig afgekoelde plakken staal

Warm walsen Na het afkoelen worden de continu gegoten plakken staal opnieuw in een oven verwarmd tot ongeveer 1200°C. De samenstelling van het staal (koolstofgehalte) bepaalt hierbij de benodigde temperatuur. In een lange warmwalsstraat wordt het staal vervolgens in verschillende stappen uitgewalst tot bandmateriaal. Vijf voorwalsen brengen de dikte eerst terug van 225 mm to 35 mm. Daarna gaat de plaat door zeven eindwalsen die het materiaal desgewenst terugbrengen tot een dikte van 1,5 mm. Het staal kan ook op andere walsen uitgewalst worden tot speciale profielen.

Warmwalsstraat

Koud walsen Door het staal koud te walsen krijgt het een hogere sterkte (versteviging) en een betere oppervlaktekwaliteit. Het kan daardoor wel brosser worden, wat te verhelpen is door een hittebehandeling.

Het staal kan ook verder wordt uitgewalst tot een dikte van 0,12 tot 0,49 mm en voorzien worden van een beschermlaag.

Koudbandwalserij

© Kenteq

43

Direct Sheet Plant Het staal uit de oxystaal- of elektrostaaloven wordt meestal eerst afgekoeld, en vervolgens weer verwarmd om het warm te walsen. Op het terrein van Tata Steel in IJmuiden staat een fabriek waarin deze extra stap wordt overgeslagen: de Direct Sheet Plant. In deze fabriek wordt vloeibaar staal uit de oxystaal- of elektrostaaloven direct verwerkt tot plaatstaal. Dit levert een grote energie- en tijdbesparing op.

Het vloeibare staal wordt direct continugegoten en daarna op constante temperatuur gehouden. De plak wordt direct doorgewalst en opgerold tot rollen plaatstaal. De walsstraat stopt hierbij niet met het leveren van plaatstaal. Het plaatstaal wordt op spoelen gerold die bij een volle rol automatisch overschakelen op een lege spoel. Een 'vliegende schaar' knipt het plaatstaal elke 90 seconden af, terwijl het walsproces gewoon door gaat.

Traditionele staalfabricage

44

Direct Sheet Plant

Materiaalfabricage

3.2

1.

Waarom wordt ijzererts eerst verwerkt tot sinters en pellets voor het naar de hoogoven gaat?

2.

Wat is reduceren en wat is daarvan het resultaat?

3.

Hoe werkt het oxystaalproces? Beschrijf globaal de stappen die het ruwijzer doorloopt bij de omvorming tot staal.

Aluminiumfabricage Er worden steeds meer producten gemaakt van aluminium. De Audi A8 is bijvoorbeeld één van de eerste auto's die voor een groot gedeelte bestaat uit aluminium.

Aluminium is door zijn lage gewicht en goede materiaaleigenschappen een volwaardig constructiemateriaal geworden. Er is op aarde meer aluminium te vinden dan ijzer.

Aluminium komt in de natuur voor in gebonden vorm: bauxiet.

Bauxietwinning Bauxiet is een verbinding van ertsen, met een hoog gehalte aan aluminium. Dat aluminium niet in zuivere vorm voorkomt, komt doordat aluminium een sterke neiging heeft om zich met zuurstof te binden tot aluminiumoxide. Dit maakt het lastig om het aluminium van de zuurstof te scheiden. Het winnen van aluminium uit bauxiet is daardoor niet te vergelijken met de winning van ijzer uit ijzererts.

Voor het vrijmaken van aluminium is veel meer energie nodig.

© Kenteq

Bauxietmijn

45

Bij het winnen zoekt men bauxiet met een hoog aluminiumgehalte. Dit bauxiet wordt aluinaarde genoemd. Aluinaarde is vaak roodkleurig door de aanwezigheid van ijzer.

Over het algemeen bevat aluinaarde de volgende bestanddelen: • tot 65 % aluminiumoxide (Al2O3) • tot ongeveer 28 % ijzeroxide (Fe2O3) • tot ongeveer 6 % siliciumoxide (SiO2) • tot ongeveer 3 % titaanoxide (TiO2) • tot 30% chemisch gebonden water (H2O).

Bayerproces De grote stukken aluinaarde worden eerst gebroken en vervolgens tot poeder vermalen. Het poeder wordt zeer fijn gemalen, om zoveel mogelijk aluminium te onttrekken aan de aluinaarde. Daarna wordt er natronloog aan het poeder toegevoegd en wordt alles verhit tot ongeveer 250°C. Natronloog is zeer gevaarlijk voor je huid en je ogen. De ijzer- en siliciumertsen blijven achter, maar de andere verontreinigingen worden door het natronloog uit het mengsel gehaald.

Aluminiumoxide

Door nu te koelen en constant te roeren houd je alleen aluminiumhydroxide (Al(OH)3) over. Dit proces verloopt langzaam en onregelmatig. In een filter wordt het aluminiumhydroxide ontdaan van het loog. Het aluminiumhydroxide is namelijk een vaste stof en het loog een vloeistof. In een speciale droogoven wordt bij 1300°C aluminiumoxide (Al2O3)verkregen. De voorbereiding van het erts tot een oxide noemen we het Bayerproces.

Elektrolyse In een oven, bekleed met vaste koolstof, wordt het aluminiumoxide bij ongeveer 1000°C opgelost in een zout. Dit zout wordt kryoliet genoemd. Het kryoliet is een verbinding van aluminium, natrium en fluor; AlNa3F6.

Boven het bad worden positief geladen koolstofelektroden (anoden) neergelaten.

De koolstofbekleding van het bad wordt negatief geladen (kathode). Hierdoor ontstaat er een elektrolysecel die het aluminiumoxide chemisch scheidt in vloeibaar aluminium en koolstofdioxide.

Elektrolysecel boven het bad

46

Materiaalfabricage

Het ongelegeerde (of primair) aluminium verzamelt zich op de bodem van het bad.

Daarboven bevindt zich het gesmolten mengsel van kryoliet en het resterende aluminiumoxide.

Het vloeibare aluminium wordt regelmatig afgetapt. Er komt daarbij zuurstof vrij aan de koolstofelektroden. Er ontstaat dan een nieuwe chemische reactie tussen de koolstofelektrode en zuurstof, waarbij koolmonoxide en kooldioxide ontstaat. De koolstofelektrode wordt hierbij dus opgebruikt. Dit vergt ongeveer een halve ton koolstof per ton geproduceerd aluminium.

Telkens als er afgetapt wordt, wordt ook weer nieuw aluminiumoxide toegevoegd.

Eerst breekt men de korst, pas dan kan aluminiumoxide worden bijgestort.

Om je een beeld te geven. Voor het winnen van 1 kg aluminium is ongeveer 2 kg aluminiumoxide nodig.

En om aan te geven hoeveel energie het kost. In 2010 werd er wereldwijd 41,4 miljoen ton aluminium geproduceerd. Daarvoor was 621 biljoen kilowattuur aan energie nodig! Dat is 3% van de totale hoeveelheid beschikbare elektrische energie in dat jaar in de hele wereld.

Voor gerecycled aluminium is slechts een tiende van deze hoeveelheid energie nodig.

Het afgetapte aluminium is bijzonder zuiver. De belangrijkste verontreinigingen zijn nog steeds ijzer en silicium. Je kunt het aluminium nog zuiverder maken door het opnieuw te raffineren. Deze zeer zuivere soorten aluminium zijn geschikt als geleidermateriaal of siervoorwerpen. In andere gevallen moet het aluminium nog worden gelegeerd om de juiste samenstelling en eigenschappen te verkrijgen.

Gieten, walsen en extruderen Na het aftappen van het aluminium wordt het uitgegoten in blokken of, net als bij staal, continu gegoten tot strengen.

Aluminium heeft een laag smeltpunt (658°C) en dat maakt het gemakkelijk te verwerken.

Naast het uitgieten wordt aluminium ook geĂŤxtrudeerd tot profielen, uitgewalst tot folie of door middel van spuitgieten tot producten gevormd.

4.

Š Kenteq

Wat is aluinaarde?

47

3.3

5.

Waarom is het winnen van aluminium uit bauxiet lastiger dan het winnen van ruwijzer uit ijzererts?

6.

Noem een oplossing om het energiegebruik bij het winnen van aluminium terug te dringen.

Kunststoffabricage Als je om je heen kijkt zie je meer en meer kunststoffen. Vroeger werden kunststoffen te zwak bevonden om te gebruiken. Nu de productietechnieken goed ontwikkeld zijn, kun je veel meer met kunststoffen doen dan werd gedacht.

Kunststof is een veelzijdig materiaal dat zich uitstekend leent voor het maken van complexe vormen. Dit is het grote voordeel van kunststoffen ten opzichte van staal en aluminium.

Producten van kunststof

Polymeren Het ontleden (chemisch splitsen) van aardolie en aardgas in andere stoffen, noem je kraken. Kraken gebeurt tijdens het destillatieproces in een olieraffinaderij. Bij het kraken ontstaan koolwaterstoffen. Dit zijn stoffen die alleen uit verbindingen van koolstofatomen (C) en waterstofatomen (H) bestaan. Bijvoorbeeld: • methaan CH4 • ethaan C2H6 • propaan C3H8 • butaan C4H10 De moleculen van koolwaterstoffen vormen door een chemische reactie één groot molecuul (macromolecuul), met nieuwe eigenschappen. De chemische processen die daarvoor worden gebruikt zijn: • polymerisatie • polycondensatie • polyadditie De stoffen die door deze processen ontstaan noem je polymeren. Sommige polymeren vind je in de natuur. Bijvoorbeeld hout, katoen, wol en zijde. Dit zijn natuurlijke polymeren. Kunststoffen zijn synthethische polymeren.

48

Materiaalfabricage

Polymerisatie Bij polymerisatie wordt een koolwaterstof zodanig behandeld dat er een monomeer ontstaat. Een monomeer heeft een dubbele binding tussen twee koolstofatomen.

Bijvoorbeeld: de koolwaterstof ethaan (C2H6) kun je chemisch omvormen tot de monomeer etheen.

Koolwaterstof (ethaan)

Monomeer (etheen)

In de kunststoffabriek wordt de dubbele binding van een monomeer onder hoge druk en temperatuur verbroken. De monomeren kunnen dan koppelen, waardoor er een keten ontstaat. Zo'n keten van monomeren noem je een polymeer (poly betekent 'veel'). Een polymeer is een synthetisch gemaakte stof, een kunststof. Bij het koppelen van monomeren etheen ontstaat zo de kunststof (polymeer) polyetheen (PE).

Polyetheen wordt bijvoorbeeld gebruikt als isolatiemateriaal voor elektrische geleiders.

Polymeer (polyetheen)

Er ontstaan bij polymerisatie geen bijproducten. Bij de structuur van kunststoffen wordt vaak de polymerisatiegraad vermeld. Dit is het gemiddeld aantal aan elkaar geknoopte monomeren tot polymeren.

Er zijn verschillende mogelijkheden om ketens te bouwen. De ketens kunnen namelijk ook worden vertakt, of aan elkaar worden geknoopt. Daardoor kun je kiezen uit zeer veel soorten kunststoffen, die elk op een speciale manier zijn gemaakt uit natuurlijke grondstoffen.

Enkele voorbeelden zijn: • PVC: Polyvinylchloride (dashboard van een auto, rioleringsbuizen) • PP: Polypropeen (frisdrankflessen, bekers) • PTFE: Polytetrafluoretheen (anti-aanbaklaag van pannen, lagermateriaal) • PC: Polycarbonaat (kogelwerend glas)

© Kenteq

7.

Wat is polymerisatie?

8.

Worden natuurlijke polymeren gevormd door polymerisatie? □ ja □ nee

49

3.4

Samenvatting • IJzer is een grondstof voor staal.

Het wordt gewonnen uit ijzererts, dat wereldwijd uit mijnen wordt gehaald.

• IJzererts is gesteente waarin het ijzer zich in gebonden vorm bevindt.

• De Hisarna-technologie is een nieuwe ontwikkeling op het gebied van ruwijzerproductie.

• Door een andere manier van verhitten zijn geen sinters, pellets en cokes meer nodig.

• Bij het oxystaalproces worden convertors gebruikt. Dit zijn een soort peervormige ovens, die gevuld worden met ruwijzer en maximaal 25% schroot.

• Met het elektrostaalproces kunnen (net als met het oxystaalproces) zuivere staalsoorten worden gemaakt.

• Staal wordt meestal gegoten volgens het continugietproces en daarna gewalst in de walserij.

Er is ook een nieuwe techniek in opkomst waarbij deze bewerkingen gecombineerd worden: de Direct Sheet Plant.

Tradionele staalfabricage

• In een lange warmwalsstraat wordt het staal vervolgens in verschillende stappen uitgewalst tot bandmateriaal.

• Door het staal koud te walsen krijgt het een hogere sterkte (versteviging) en een betere oppervlaktekwaliteit.

50

Materiaalfabricage

• Aluminium komt in de natuur voor in gebonden vorm: bauxiet.

Bauxiet is een verbinding van ertsen, met een hoog gehalte aan aluminium.

• Bij het winnen zoekt men bauxiet met een hoog aluminiumgehalte.

Dit bauxiet wordt aluinaarde genoemd.

• Het winnen van aluminium uit bauxiet is niet te vergelijken met de winning van ijzer uit ijzererts.

Voor het vrijmaken van aluminium is veel meer energie nodig.

• Na het aftappen van het aluminium wordt het uitgegoten in blokken of, net als bij staal, continu gegoten tot strengen.

• Aluminium heeft een laag smeltpunt (658°C) en dat maakt het gemakkelijk te verwerken.

Aluminiumfabricage

• Kunststof is een veelzijdig materiaal dat zich uitstekend leent voor het maken van complexe vormen.

• Natuurlijke polymeren: stoffen die door polymerisatie zijn ontstaan en voorkomen in de natuur.

• Synthetische polymeren: stoffen die door polymerisatie worden gemaakt in een kunststoffabriek. Synthetische polymeren worden kunststoffen genoemd.

• Bij polymerisatie worden de dubbele bindingen van monomeren onder hoge druk en temperatuur opengebroken, waardoor ze een verbinding aan kunnen gaan en lange ketens kunnen vormen.

© Kenteq

51

3.5

Antwoorden Antwoord 1 Sinters en pellets laten veel zuurstof door. Dat is belangrijk om zoveel mogelijk ijzer uit het erts te kunnen halen met zo weinig mogelijk energie. Het levert ook een betere staalkwaliteit op.

Antwoord 2 Reduceren is het opnemen van zuurstof uit ijzererts, waardoor er ruwijzer overblijft.

Antwoord 3 Stappen oxystaalproces: a. vloeibaar ruwijzer en schroot invoeren in convertor b. zuivere zuurstof op het bad blazen c. zuurstof verbrand koolstof om ruwijzer Antwoord 4 Aluinaarde is bauxiet met een hoog aluminiumgehalte.

Antwoord 5 Aluminium bindt zich zeer goed met zuurstof. Voor het scheiden van aluminium uit aluminiumoxide is zeer veel energie nodig.

Antwoord 6 Recyclen van aluminium.

Antwoord 7 Polymerisatie is het openbreken van de dubbele verbindingen van monomeren, waardoor ze lange ketens kunnen vormen (macromoleculen).

Antwoord 8 Ja, natuurlijke polymeren worden gevormd door polymerisatie.

52

Materiaalfabricage

4 Askoppelingen Inleiding Door koppelingen worden in de machinebouw twee of meer machinedelen met elkaar verbonden. Er zijn schakelbare en niet-schakelbare koppelingen. Je leert over verschillende soorten askoppelingen.

Koppeling van een verbrandingsmotor

Leerdoelen Je kunt: • diverse soorten koppelingen beschrijven en herkennen • berekeningen maken van: – een flenskoppeling met ruime gaten – een flenskoppeling met pasbouten of passchroeven – een klemkoppeling met bouten of klemringen – een elastische koppeling met tussenring – een pennenkoppeling – wrijvingskoppelingen.

• het toepassingsgebied van diverse typen koppelingen benoemen • de werking van een vloeistofkoppeling uitleggen.

© Kenteq

53

4.1

Context Wanneer je op een brommer of motor rijdt, bestaat de kans dat je moet koppelen. Het rijden in een auto met een handgeschakelde versnellingsbak gaat ook met behulp van een koppeling. De hier toegepaste koppeling noem je een schakelbare koppeling. De koppeling biedt de mogelijkheid om de verbinding tussen de overbrenging te verbreken en zodoende een andere versnelling in te schakelen.

Het maken van een verbinding tussen twee assen noem je koppelen. Het koppelen kan op verschillende manieren tot stand komen. Aan de hand van gestelde eisen en de stand van de assen kan een keuze gemaakt worden. Het over te brengen vermogen bepaalt dan mede de sterkte-eis. Met behulp van dit vermogen kan een berekening worden gemaakt.

4.2

Klemkoppeling De klemkoppeling bestaat uit twee gietijzeren of gietstalen schalen. De schaaldelen kunnen met bouten of klemringen op de assen worden geklemd. Als passingsmaat tussen de assen en schaaldelen past met veelal de tolerantie H7/g6 toe. Het gevaar bestaat, dat bij te geringe wrijving de schaaldelen om de as gaan draaien. Dit kun je voorkomen door het aanbrengen van een borging. Hiervoor kun je bijvoorbeeld een spieverbinding gebruiken. In de afbeelding is de klemkoppeling weergegeven met de daarop werkende belasting. De breedte b is doorgaans twee maal de asdiameter en de 1 boutdiameter ongeveer een vijfde deel van de asdiameter ( d das ). bout ≈ 5

Klemkoppeling met werkende belasting

Voor het rekenmoment Mr geldt bij de klemkoppeling: Mw = Fw × das Mr = Mw × C = Fw × das × C = FN × nb × f × das × C waarin:

54

Askoppelingen

Fw

= de wrijvingskracht in N of kN

das = de asdiameter in mm C

= de bedrijfsfactor (dimensieloos)

nb

= de helft van het totale aantal bouten (dimensieloos)

f

= wrijvingscoëfficiënt (dimensieloos)

Voor de vlaktedruk tussen de schaaldelen en de as geldt:

σo =

FN Aschaal

=

FN FN = Aproj das ⋅ l

waarin: Aproj = geprojecteerde binnenoppervlak van de klemkoppeling in mm2 das

= diameter as in mm

l

= lengte klemkoppeling op de as in mm

Bedenk wel dan l de schaallengte per as is. De totale lengte van de klemkoppeling wordt: 2l + ongeveer 5 mm voor de ruimte tussen de twee assen.

Voorbeeld 1 Gegeven Een as wordt met een klemkoppeling aan een andere as gekoppeld. Voor de klemming worden in totaal acht bouten gebruikt. Het over te brengen vermogen is 20 kW bij een rotatiefrequentie van 5 omw/s. Er moet rekening worden gehouden met een veiligheid van 40%. De wrijvingscoëfficiënt is 0,15. Verder is:

τ w,as = 20 N/mm2 en σ t,bout = 75 N/mm2 .

Gevraagd a. Bereken de asdiameter. b. Bereken de boutdiameter.

Oplossing a. Het moment op de as is: Mw =

P 20.000 W = = 636, 62 Nm 2π ⋅ n 2π × 5 omw/s

Bij een veiligheid van 40% is: Mr = Mw × 1,4 Mr = 636,62 Nm × 1,4 = 891.268 Nmm Ww, as = 0,2 ⋅ d 3as (Ww = weerstand tegen wringing) Mr = Ww × τ w 891.268 Nmm = 0,2 ⋅ d 3as × 20 N/mm2 das =

3

891.268 Nmm 0,2 2 × 20 N/mm2

das = 60,62 mm ≈ 65 mm b. Mr = Fw × das 891.268 Nmm = Fw ´ 65 © Kenteq

55

Fw = 13.711,82 N Fw = FN × f 13.711,82 N = FN ´ 0,15 FN = 91.412,1 N FN = σ × n × As t 91.412,3N = 75 N/mm2 ´ 4 ´ As As = 304,7 mm2 In je tabellenboek vind je in tabel Metrisch schroefdraad (ISO) de waarde van As. De tabel geeft voor As aan, dat er (afgerond) een M24-bout gebruikt moet worden.

Voorbeeld 2 Gegeven Een klemkoppeling met klemringen verbindt twee aseinden van een centrifugaalpomp.

De pomp wordt elektrisch aangedreven. Het over te brengen vermogen is 14 kW bij een rotatiefrequentie van 5,5 omw/s. De wrijvingscoëfficiënt is 0,18.

τ w,as = 15 N/mm2 en σ klemring = 75 N/mm2 Gevraagd a. Bereken de asdiameter. b. Bereken de afmetingen b en h van de ring, als geldt: h = 1,5 × b.

Klemkoppeling met klemring

Oplossing a. Het moment op de as is: Mw =

P 14 ⋅ 103 W = = 405, 12 Nm 2π ⋅ n 2π × 5, 5 omw/s

Er moet gerekend worden met een bedrijfsfactor van 1,2 (zie tabel Waarden voor bedrijfsfactor C): Mr = Mw × 1,2 = 405,12 ´ 1,2 Nm = 486,144 Nm = 486.144 Nmm Mr = Ww × τ w 486.144 Nmm = 0,2 (das)3 ´ 15 N/mm2 ® das = 54,52 mm = 55 mm b. Mr = Fw × das ® 486.144 Nmm = Fw ´ 55 mm ® Fw = 8839 N Fw = FN × f ® 8839 N = FN × 0,18 ® FN = 49.106,06 N FN = σ × Aring ® 49.106,06 N = 75 N/mm2 ´ Aring ® Aring = 654,75 mm2 t Aring = b ´ h Aring = b ´ 1,5b 56

Askoppelingen

654,75 = 1,5b2 ® b = 20,89 mm = 21 mm en h = 1,5 ´ 21 = 31,5 = 32 mm De ringmaat wordt 21 ´ 32 mm.

1.

4.3

Uit welke onderdelen bestaat een klemkoppeling?

Flenskoppeling Assen met aangesmede flenzen worden veel toegepast in de scheepsbouw. De eisen voor dit type flenzen zijn opgesteld door 'Lloyd's Register of Shipping (LRS)' of 'Bureau Veritas'. De flenskoppelingen met losse flenzen worden door middel van basbouten of pasbussen aan elkaar bevestigd. De koppelingen zijn genormaliseerd.

Bepalen van het rekenmoment bij koppelingen In de afbeelding is een flenskoppeling zonder as weergegeven. Op de koppeling werkt het nominale draaimoment Mw. Zowel de spieverbinding als de boutverbinding tussen de flenzen moet dit nominale draaimoment kunnen overbrengen.

Het moment Mw kun je bereken met de formule: Mw =

P 2π ⋅ n

waarin: Mw

= het nominale wringend draaimoment in Nm

P

= het vermogen in W (Nm/s)

n

= de rotatiefrequentie in omw/s

Flenskoppeling

© Kenteq

57

Het draaimoment kan ook berekend worden uit de sterkteberekening van de spieverbinding of met de formule:

τw =

Mw Ww

Het nominale draaimoment Mw wordt met de bedrijfsfactor C verhoogd om het rekenmoment Mr te bepalen. Het rekenmoment Mr wordt dus: Mr = Mw × C waarin: C = bedrijfsfactor (dimensieloos).

In de bedrijfsfactor C is de bedrijfsaard, de machinesoort en de aandrijfmotor verwerkt. De waarde voor C ligt tussen 1,2 en 3,2 (zie tabel Waarden voor bedrijfsfactor C). Er wordt ook vaak gewerkt met een veiligheid uitgedrukt in procenten.

Karakteristieken aangedreven machines

Aandrijving door A

B

C

1,2

1,6

1,8

Gelijkmatig bedrijf en kleine massatraagheidsmomenten: ventilato- 1,4 ren, transportbanden, lichte werktuigmachines, platenbuigmachines

1,8

2,0

Ongelijkmatig bedrijf en middelmatige massatraagheidsmomenten, zonder stoten: houtbewerkingsmachines, generatoren, lieren, droogtrommels, mengers, slijpmachines, goederenliften, drukkerijmachines

1,6

2,0

2,2

Ongelijkmatig bedrijf, middelmatige massatraagheidsmomenten en 1,8 stoten: betonmengers, valhamers, perspompen, wasmachines, personenliften, turbocompressoren, scheepsassen, metaalschaafmachines, kneedmachines, centrifuges, kraaninstallaties

2,2

2,5

Ongelijkmatig bedrijf, grote massatraagheidsmomenten en zware stoten: persen, scharen, hamers, baggeraandrijvingen, rubberwalsen

2,0

2,5

2,8

ongelijkmatig bedrijf, zeer grote massatraagheidsmomenten en zeer zware stoten: lasgeneratoren, steenbrekers, marmercomposieten, tegelpersen, metaalwalsen, zware compressoren en zuigerpompen

2,2

2,8

3,2

Gelijkmatig bedrijf en geringe massatraagheidsmomenten: lichtgeneratoren, ventilatoren, centrifugaalpompen

A. Elektromotoren, stoom- en waterturbines B. Verbrandingsmotoren met 4 tot 6 cilinders,. oneenparigheidsgraad

C. Verbrandingsmotoren met 1 tot 3 cilinders, oneenparigheidsgraad

∆ω ω ∆ω ω

= 1 : 100 tot 1 : 200

= 1 : 80 tot 1 : 100

Waarden voor bedrijfsfactor C

58

Askoppelingen

Belasting flenskoppeling met ruime gaten Bij de flenskoppeling wordt er een klemkracht FN per bout op de contactvlakken van de flenzen uitgeoefend. De klemkracht is evenwijdig gericht aan de hartlijn van de bout en werkt dus loodrecht op de flenzen. Door FN ontstaat er tussen de flenzen een tangentiale wrijvingskracht Fw. Bij het berekenen mag je aannemen dat de kracht Fw aangrijpt aan de omtrek van de boutsteekcirkel dstc. De grootte van de kracht Fw wordt bepaald door de klemkracht per bout en de wrijvingscoëfficiënt f tussen de flenzen. Je kunt dus voor Fw afleiden dat: Fw = FN × nb × f waarin: Fw

=

De maximale tangentiale wrijvingskracht tussen de contactvlakken op de boutsteekcirkel in N

FN

=

de klemkracht per bout in N

nb

=

het aantal bouten in de flenskoppeling (dimensieloos)

f

=

de wrijvingscoëfficiënt tussen de contactvlakken (dimensieloos)

Indien je ervan uitgaat, dat het gehele moment door wrijving moet worden overgebracht, geldt dat het moment Mr1 (veroorzaakt door de wrijvingkracht Fw) gelijk is aan het rekenmoment Mr (veroorzaakt door de omtrekskracht Fo): Mr1 = Mr Voor het moment Mr1 veroorzaakt door de wrijvingskracht Fw geldt: Mr1 = Fw ⋅

1 d 2 stc

In deze formule kun je Fw vervangen door FN × nb × f.

Voor het moment Mr1 geldt dus: Mr1 =

P 1 ⋅ d 2π ⋅ n 2 stc

waarin: Mr1 = het moment overgebracht door wrijving.

Voor het rekenmoment Mr veroorzaakt door de omtrekskracht Fo geldt dus ook: Mr = Mw × C In deze formule kun je Mw vervangen door

P .

2π ⋅ n

Voor het moment Mr geldt: Mr =

P ⋅C 2π ⋅ n

In de praktijk wordt ervan uitgegaan, dat de bouten het gehele vermogen overbrengen. De bouten moeten behalve op trek ook op afschuiving berekend worden.

Een deel van het vermogen wordt door de kracht Fw tussen de flenzen overgebracht.

Dit deel van het overgebrachte vermogen wordt uitgedrukt als een percentage van het totale vermogen: Mr1 ⋅ 100% Mr © Kenteq

59

waarin: Mr1 = het wringend moment door wrijving overgebracht in Nm Mr

= het rekenmoment in Nm

Onthoud

Het draaimoment kan worden overgebracht door: • de tangentiale wrijvingskracht Fw • de schuifkracht in de bouten.

De bouten op het scheidingsvlak tussen de flenzen mogen nooit schroefdraad op de steel hebben (figuur 4). De boutsteel heeft dus op het scheidingsvlak zijn volle dikte.

Voor het berekenen van de boutdiameter kun je daarom gebruikmaken van de reeds bekende formule:

τD =

Fo Asteel

waarin: = de toelaatbare schuifspanning in N/mm2

τD

Asteel = oppervlakte doorsnede boutsteel in mm2 Fo

= oppervlakte doorsnede boutsteel in mm2

Asteel kun je berekenen met de formule: Asteel =

2 π (d ) 4 steel

waarin: dsteel = steeldiameter bout op het scheidingsvlak Voor Fo geldt de volgende formule: Fo =

Mr 1 d 2 stc

Voorbeeld 3 Gegeven De koppelingshelften van een stalen flenskoppeling met losse flenzen worden verbonden met zes bouten in ruime gaten op een steekcirkel van 240 mm. Het toerental is 1200 omw/min. Het over te brengen vermogen is 400 kW. De flenskoppeling wordt toegepast bij een droogtrommel, die met een elektromotor wordt aangedreven. Verder is gegeven: τ = 24 N/mm2; ontwerpspanning σ = 40 N/mm2; w D f = 0,15.

Gevraagd a. Bereken het rekenmoment Mr. b. Bereken de asdiameter das afgerond op een veelvoud van 5 mm. c. Bereken de boutdiameter.

60

Askoppelingen

d. Bereken het percentage van Mr dat door wrijving kan worden overgebracht, als σ t = 60 N/mm2.

Oplossing a.

1200 = 20 omw/s 60 P 400 ⋅ 103 W Mw = = → Mw = 3183, 1 Nm 2π ⋅ n 2π × 20 omw/s

1200 omw/min =

De bedrijfsfactor C is 1,6. Mr = Mw × C = 3183,1 ´ 1,6 Nm ® Mr = 5092,96 Nm b.

τw =

Mr Mr 5092, 96 ⋅ 103 Nmm 2 = → 24 N/mm = → d = 101, 99 mm = 105 mm Ww 0, 2 ⋅ d 3 0, 2 × d 3

Mr = Fo ⋅ nb ⋅ c.

τD =

1 1 dstc → 5092, 96 ⋅ 103 Nm = Fo × 6 × × 240 mm → Fo = 7073, 56 N 2 2

Fo 7073, 56 N → 40 N/mm2 = → Asteel = 176, 39 mm2 Asteel Asteel 7073, 56 × 4 = 15, 01 mm 40 × π

dsteel =

De boutverbinding moet worden gemaakt met M16-bouten. Deze hebben een As van 157 mm2. d. FN=st × As × nb = 60 ´ 157 ´ 6 = 56520 N Fw = FN × f = 56520 ´ 0,15 = 8478 N Mr1 = Fw ⋅

1 1 dstc = 8478 × × 240 = 1017, 36 ⋅ 103 Nmm 2 2

Het percentage is

Mr1 1017, 39 ⋅ 100% = × 100% = 19, 98% Mr 5092, 96

Belasting bij flenskoppeling met pasbouten of passchroeven Bij een flenskoppeling met pasbouten wordt de boutsteel belast op afschuiving en heerst er tussen de boutsteel en de flens vlaktedruk.

Het rekenmoment en de wrijvingskracht bereken je op dezelfde wijze als bij flenskoppelingen met ruime gaten. De schuifkracht per bout bereken je met: Fo,bout =

Mr 1 nb ⋅ dstc 2

waarin: Fo,bout = de schuifkracht per bout in N. Fo en veroorzaakt een De kracht Fo geeft in de steel een schuifspanning τ van 1 D π ⋅ d2 4 vlaktedruk σ tussen bout en flens van: o

σo =

Fo F = o Aproj d⋅l

waarin:

© Kenteq

61

Apro = het geprojecteerde oppervlak in mm2 j

d

= de steeldiameter van de bout in mm

l

= de dragende lengte van de bout in mm (dus de flensdikte)

Flenskoppeling met pasbouten

Voorbeeld 4 Gegeven De koppelingshelften van een flenskoppeling worden met acht passchroeven 12.9 verbonden. De flenzen hebben een gezamenlijke dikte van 42 mm. De totale omtrekskracht tussen de flenzen is 60.000 N. De ontwerpspanning τ = 120 N/mm2 D en f = 0,21.

Gevraagd a. Bereken de grootte van de passchroeven. b. Bereken de optredende schuifspanning tD in de schroeven. c. Bereken de vlaktedruk σ tussen de schroeven en de flens. o Oplossing Uitwerking: a. Fw = FN × nb × f ® 60000 N = FN ´ 8 ´ 0,21 ® FN = 35.714,3 N Fo

60000 N → d = 8, 92 mm 1 1 π ⋅ d2 8 × π × d2 4 4 Keuze: M8(10). De passchroeven moeten dus de maat (M8) 10 ´ 35 hebben (zie tabel Passchroeven). b. De schuifspanning in de schroeven is:

τD =

→ 120 N/mm2 =

Fo

60000 → τ D = 95, 49 N/mm2 1 1 2 2 π ⋅d 8× π ×d 4 4 Controle sterkte schroefdraad:

τD =

=

Re van het schroefmateriaal = 12 ´ 9 ´ 10 = 1080 N/mm2.

Dit geeft een σ van 1 × 0, 7 × 1080 N/mm2 = 252 N/mm2 t 3 De σ per bout door de FN (normaalkracht) wordt: t

62

Askoppelingen

FN 35714, 3 N → σt = → σ t = 76, 97 N/mm2 As 8 × 58 mm2 De belasting is toelaatbaar voor de gekozen schroeven, want σ ≥ σ t t Fo 60000 = → σ o = 35, 7 N/mm2 Aproj 21 mm × 10 mm × 8

c. De vlaktedruk σ is o

d

ds (nom.)

tolerantie f9 max.

min.

b

dk (max.)

k (max.) s

aandraaimoment in Nm (m = 0,14)

M6

8

7,987

7,951

11

13,27

5,5

4

12

M8

10

9,987

9,951

13

16,27

7

5

30

M10

12

11,984

11,941 16

18,27

8

6

60

M12

16

15,984

15,941 18

24,33

10

8

110

M16

20

19,980

19,928 22

30,33

14

10

280

M20

24

23,980

23,928 27

36,39

16

12

500

Boutlengten L (d) ds

20

30

35

40

45

50

60

70

80

90

100

(M6)

8

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

(M8)

10

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

(M10)

12

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

(M12)

16

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

(M16)

20

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Tabel passchroeven

2.

4.4

Hoe kan het draaimoment worden overgebracht?

Elastische koppeling Elastische koppelingen zijn flexibel. Het belangrijkste kenmerk van elastische koppelingen is de overdracht van het draaimoment via elastisch stoot- en trillingdempend materiaal. Een deel van de stootenergie wordt gedempt en omgezet in warmte. De elastische koppelingen kunnen een zeer kleine asafwijking van 2 à 3° opvangen. Het kiezen van de koppeling die wordt toegepast, wordt in de praktijk gedaan aan de hand van catalogi van leveranciers.

© Kenteq

63

Elastische koppelingen

Berekening elastische koppeling met tussenring De tussenring van de elastische koppeling wordt gemaakt van rubber of kunststof.

De pennen in de koppeling zijn om en om gemonteerd. Het vermogen wordt via de pennen en de tussenring overgebracht van de ene koppelingshelft naar de andere. Dit type koppeling is niet geschikt voor het overbrengen van grote vermogens (> 40 - 50 kW), omdat de vlaktedruk tussen de pennen en de tussenring dan te groot wordt.

Elestische koppeling met tussenring

Voorbeeld 5 Gegeven De elastische koppeling met tussenring moet een vermogen van 8 kW overbrengen bij een rotatiefrequentie van 10 omw/s. De koppeling wordt gebruikt bij een ventilator. De ventilator wordt elektrisch aangedreven. Het totaal aantal pennen is 6 op een steekcirkel van dstc = 200 mm. Tussen de koppelingshelften en de tussenring is een ruimte van 1 mm. De σ tussen pen en ring is 0,8 N/mm2. De verhouding tussen de 0 breedte van de tussenring en de diameter van de pen is b = 2 . d Gevraagd a. Bereken de asdiameter als τ = 25 N/mm2 . w b. Bereken de breedte van de tussenring en diameter van de pen. c. Bereken σ in de pennen. b Oplossing a. M = w

P 8 ⋅ 103 W = = 127, 32 Nm 2π ⋅ n 2π × 10 omw/s

De bedrijfsfactor C = 1,2 Mr = Mw × C ® Mr = Mw × 1,2 = 127,32 ´ 1,2 = 152,784 kNm = 152.784 Nmm

64

Askoppelingen

Mr = Ww × τ ® 152.784 Nmm = 0,2 (das)3 ´ 25 N/mm2 ® das = 31,26 mm = w 32 mm b. Mr per koppelingshelft is: 1 1 1 1 n ⋅ Fo ⋅ dstc → 52784 Nmm = 6 × Fo × × 200 → Fo = 509, 26 N 2 2 2 2

σo =

Fpen d⋅b

→ 0, 8 N/mm2 =

509, 28 N → d = 17, 84 mm = 18 mm d × 2d

b = 2 → b = 2 × 17, 84 = 35, 86 = 36 mm d De diameter van de pen is 18 mm en de breedte van de tussenring is 36 mm. c. M = F ⋅ a → M = 509, 28 ÷  1 × 36 + 1  = 9676, 32 Nmm   b pen b 2  Wb = ±0,1 × d3

σb =

Mb 9676, 32 → σb = → σ b = 16, 59 N/mm2 Wb 0, 1 × 183

Berekening elastische koppeling met buffers en pennen Bij dit type koppeling brengen alle pennen of bouten het vermogen over. Bij stilstand kunnen de koppelingshelften ontkoppeld worden.

4.5

3.

Wat is het belangrijkste kenmerk van elastische koppeling?

4.

Hoe groot is de asafwijking die elastische koppelingen kunnen opvangen?

Schakelbare koppeling Je kunt een schakelbare koppeling in- en uitschakelen tijdens het in bedrijf zijn. Denk hierbij maar aan de koppelingsplaten van een auto. In deze paragraaf maak je nader kennis met de wrijvingskoppeling.

© Kenteq

65

Belasting op de wrijvingskoppeling In de afbeelding is een wrijvingskoppeling getekend met één wrijvingsvlak. Het principe van een wrijvingskoppeling berust op het opwekken en opheffen van wrijving tussen het wrijvingsvlak. Om de wrijving tussen de vlakken te verhogen, worden de vlakken bekleed met wrijvingsmateriaal, bijvoorbeeld ferrodo.

Bij bediening van de koppeling kunnen: • de koppelingshelften tegen elkaar worden gedrukt • de koppelingshelften van elkaar worden getrokken.

Wrijvingskoppeling

Als de koppelingshelften van de afbeelding tegen elkaar worden gedrukt, ontstaat de koppelkracht FN. De koppelkracht werkt evenwijdig aan de hartlijn van de as en is dus een normaalkracht FN. De normaalkracht staat loodrecht op het wrijvingsvlak en veroorzaakt hierdoor de wrijvingskracht Fw. Deze kracht bereken je met de bekende formule: Fw = FN × f De wrijvingskracht grijpt aan op de gemiddelde diameter dgem van het wrijvingsvlak.

Het moment Mw dat hierdoor ontstaat is: Mw = Fw ⋅

1 1 dgem → Mw = FN ⋅ f ⋅ dgem 2 2

Het aantal wrijvingsvlakken bepaalt de totale Fw bij gelijkblijvende FN. Voor het totale moment geldt: Mw = FN ⋅ f ⋅

1 d ⋅n 2 gem

waarin: Mw = het wrijvingsmoment in Nm FN = de normaalkracht in N f = de wrijvingscoëfficiënt (dimensieloos) dgem = de gemiddelde wrijvingsdiameter in m n = het aantal wrijvingsvlakken die tegen elkaar drukken.

Het benodigde moment Mw kun je ook berekenen met de formule: Mw =

P 2π ⋅ n

waarin: Mw = het wrijvingsmoment in Nm P = vermogen in W 66

Askoppelingen

n = rotatiefrequentie in omw/min Ook bij deze koppelingen heb je te maken met de bedrijfsfactor of het veiligheidspercentage. Voor het rekenmoment geldt dus: Mr = Mw × bedrijfsfactor of veiligheid Voorbeeld 6 Gegeven Een platen-wrijvingskoppeling moet bij 45 omw/s een vermogen van 40 kW overbrengen. De koppeling heeft twee wrijvingsvlakken waarvan de buitendiameter 230 mm is en de binnendiameter 170 mm. Veiligheid tegen slippen is 30%. f = 0,3.

Gevraagd a. Bereken de koppelkracht FN. b. Bereken de vlaktedruk tussen de platen.

Oplossing a.

Mw =

P 40 ⋅ 103 W = = 141, 47 Nm 2π ⋅ n 2π ⋅ 45 omw/s

De veiligheidsfactor is 30%.

Mr = Mw × 1,3 = 141,47 ´ 1,3 = 183,91 Nm Mr = Fw ⋅

1 1  230 + 170  dgem ⋅ n → 183.910 = Fw ×   × 2 → Fw = 919, 55 N 2 2 2 

Fw = FN × f ® 919,55 N = FN ´ 0,3 ® FN = 3065,17 N b.

σo =

FN 3065, 17 = = 0, 081 N/mm2 1 A π × (2302 − 1702 ) × 2 4

Belasting op de hefboom bij wrijvingskoppelingen Hier is schematisch een wrijvingskoppeling met koppelhuis en hefboomstelsels afgebeeld. Op de koppelplaat werkt een koppelkracht FN. De grootte van kracht Fp aan het uiteinde van de hefboom (pedaal) wordt bepaald door de armlengte van de hefbomen. De hefbomen draaien om een aantal punten. De hefboomverhouding is: a c = b d

© Kenteq

67

Wrijvingskoppeling met koppelbus en hefboomstelsel

Voorbeeld 7 Gegeven Bij een lamellenkoppeling is de koppelkracht FN = 3000 N. De maten van de hefbomen zijn in millimeters.

Hefbomen lamellenkoppeling

Gevraagd a. Berekend de pedaalkracht FP . b. Bereken de indrukking s van het pedaal om de platen 1,5 mm 'te lossen'.

Oplossing a. F = F ⋅ a ⋅ c = 3000 N × 8 mm × 35 mm → F = 124, 71 N p N p b d 32 mm 211 mm b. s = indrukking ⋅ b ⋅ d = 1, 5 mm × 32 × 211 → s = 36, 17 mm a c 8 35

68

Askoppelingen

Ortlinghaus-lamellenkoppeling De zogenoemde Ortlinghaus-lamellenkoppeling heeft een koppelbus en een aantal hefboomstelsels in de omtrek om de lamellen aan te kunnen drukken. De Ortlinghauslamellenkoppeling wordt onder meer toegepast bij een AHOB-installatie (automatische halve-overwegbeveiliging).

.

Ortlinghaus-lamellenkoppeling

De koppelbus wordt meestal door drie kniehefbomen bediend. Bij het berekenen neem je aan dat alle kracht van één hefboom komt, hierbij is ook de hellingshoek a van de koppelbus van belang.

Koppelbus met kniehefboom

In de afbeelding is schematisch het krachtenspel op de kniehefboom getekend. Door de schuine kant aan de koppelbus ontstaan er op het uiteinde van de hefboom de krachten Fh en Fv. De kracht Fh is gelijk aan de inschakelkracht Fi. Als de krachten op de hefboomstelsel bekend zijn, dan kun je de momenten berekenen met de formule: Mw = n ⋅ Fw ⋅

1 d 2 gem

Krachtenspel hefbomen Ortlinghaus-lamellenkoppeling

© Kenteq

69

Hierin is: Fk

= aandrukkracht lamellen

Fw' = wrijvingskracht tussen kniehefboom en koppelbus FN'

= normaalkracht tussen kniehefboom en koppelbus

Fr

= resulterende kracht

a

= hellingshoek boring koppelbus

j

= wrijvingshoek (tan j = f)

Voorbeeld 8 Gegeven Zie afbeelding 'Krachtenspel hefbomen Ortlinghaus-lamellenkoppeling'.

Om deze koppeling in te schakelen is een aandrukkracht nodig van 3000 N. Hellingshoek a = 15º en de wrijvingshoek j = 5º.

Gevraagd Bereken de inschakelkracht Fi. Oplossing Fk × a = Fv × b ® 3000 N ´ 11 mm = Fv ´ 40 mm ® Fv = 825 N Fh = Fv × tg(a + j) ® Fh = 825 N x tg(15°+5°) Fh = 825 N ´ 0,3640 = 300,3 N Inschakelkracht Fi = Fh = 300,3 N

70

5.

Wat is het belangrijkste kenmerk van een schakelbare koppeling?

6.

Waar wordt de Ortlinghaus-lamellenkoppeling toegepast?

Askoppelingen

4.6

Vloeistofkoppeling In de afbeelding zie je een doorsnede van een vloeistofkoppeling. De koppelingshelften A en B moeten het moment van de ene as naar de andere overbrengen met behulp van vloeistof. Bij het inschakelen vult de ruimte zich met een vloeistof, in de meeste gevallen olie. De drijvende as gaat draaien, terwijl de gedreven as stilstaat. Door de centrifugale kracht beweegt de olie in deel A naar buiten. De oliedruk wordt nu aan de buitenzijde groter dan aan de binnenomtrek. De olie gaat circuleren zoals is aangegeven in de tekening. De olie heeft naast deze snelheidsrichting ook een tangentiĂŤle snelheidsrichting. De tangentiĂŤle snelheidsrichting zorgt ervoor dat B wordt aangedreven.

Gezien de werking is het noodzakelijk dat er een drukverschil blijft bestaan tussen de koppelingshelften A en B. Wanneer er geen drukverschil is, valt de stroming weg en daarmee de verbinding. Je kunt hieruit opmaken dat A en B nooit dezelfde hoeksnelheid hebben.

Vloeistofkoppeling

Š Kenteq

71

7.

4.7

Bekijk de afbeelding. Waarom is het belangrijk dat er drukverschil blijft bestaan tussen de koppelingshelften A en B?

Schakelmechanismen Om een koppeling te kunnen schakelen, worden speciale schakelconstructies toegepast: • mechanische elementen • hydraulische bekrachtiging • pneumatische bekrachtiging • elektromagnetische bekrachtiging.

Mechanisch Bij een mechanisch schakelelement gaat het om een schakelmechanisme dat de koppeling in staat stelt in te schakelen. Hierbij kun je denken aan bijvoorbeeld een zogenaamde schakelmof. De gaffel kan de schakelmof in axiale richting verplaatsen.

Zo kan de koppeling worden geschakeld. Als de schakeling met handkracht moet gebeuren, kan een hefboomconstructie de inschakelkracht vergroten.

72

Askoppelingen

Mechanisch schakelelement

Hydraulisch In geautomatiseerde processen worden vaak hydraulisch, pneumatisch en elektromagnetisch bekrachtigde koppelingen toegepast. Deze kun je op afstand bekrachtigen. In de afbeelding is een hydraulische koppeling weergegeven.

De olie waarmee de koppeling wordt bediend, bouwt druk op achter een zuiger. De zuiger drukt de lamellen samen. Als de oliedruk wegvalt, zorgen de veren ervoor dat de zuiger teruggaat naar de beginstand.

Hydraulische bekrachtiging

Pneumatisch Een pneumatisch bekrachtigde lamellenkoppeling werkt volgens hetzelfde principe als de hydraulisch bekrachtigde lamellenkoppeling. De grootte van de normaalkracht die kan worden opgewerkt, is afhankelijk van de grootte van het oppervlak van de ringvormige zuiger.

Pneumatische bekrachtiging

Š Kenteq

73

Elektromagnetisch Bij de elektromagnetische koppeling speelt de wrijving weer een belangrijke rol. De wrijving wordt opgewekt door een kracht die wordt uitgeoefend op de zogenaamde wrijvingsringen. De kracht die moet worden geleverd, komt tot stand door het toepassen van een elektromagneet. De elektromagnetische koppeling kan ook twee assen verbinden. In de afbeelding zie je een elektromagnetische koppeling. Je ziet in de linkerkoppelingshelft een ringvormige magneetspoel zitten. Deze kan met behulp van sleepringen worden bekrachtigd. De rechterhelft bestaat uit een verschuifbaar anker. Wanneer de spoel wordt bekrachtigd, wordt het verschuifbaar anker, door het ontstaan van magnetisme, tegen de wrijvingsring getrokken. Wanneer de wrijvingskracht groot genoeg is, zijn de assen gekoppeld. Je kunt deze kracht variĂŤren door het toepassen van een regelweerstand. Het is dus mogelijk de grootte van het over te brengen moment te sturen. Het ontkoppelen gebeurt (na onderbreking van de stroomkring) door de drukveertjes die in de naaf zijn gemonteerd.

Elektromagnetische bekrachtiging

8.

74

Noem twee schakelmechanismen die gebruikt worden om een koppeling te kunnen schakelen.

Askoppelingen

4.8

Samenvatting • Vermogensformule: M = w

P 2π ⋅ n

• Moment alleen op wrijving: M 1 = F ⋅ 1 d = f ⋅ F ⋅ n ⋅ 1 d r w n b 2 stc 2 stc • Moment op afschuiving van bouten: M = M ⋅ C = F ⋅ n ⋅ 1 d ⋅ C r w o b 2 stc • Voor klemkoppelingen geldt: – uitvoering met bouten of ringen – de helft van het totaal aantal bouten in de koppeling brengt het vermogen over – Mw = Fw × das en Fw = FN × f –

FN bouten: σ t = 1 ⋅ n ⋅ As 2

–

ringen: σ = t

–

vlaktedruk: σ o =

FN 2⋅b⋅h FN Aschaal

=

FN das ⋅ l

• Voor flenskoppelingen geldt: – nooit schroefdraad op de boutsteel tussen de scheidingsvlakken van de koppeling – de bouten worden op het scheidingsvlak belast op afschuiving – de bouten worden belast op trek door het aandraaien van de moeren – pasbouten controleren op afschuiving en vlaktedruk – het percentage van het moment dat door wrijving wordt overgebracht is –

Mw1 ⋅ 100% Mw

• Voor elastische koppelingen geldt: – koppeling met tussenring: helft aantal pennen of bouten brengt vermogen over – koppeling met buffers en pennen: alle pennen of bouten brengen vermogen over – buffers en tussenring controleren op vlaktedruk en pennen of bouten controleren op buiging.

• Voor wrijvingskoppelingen geldt: – het hele moment wordt door wrijving overgebracht – aantal wrijvingsvlakken bepaalt grootte van het over te brengen vermogen –

verhouding hefbomen: b = d a c

–

FN × a = Fv × b Fi = Fb = Fv × tg(a + j)

–

• Het belangrijkste kenmerk van elastische koppeling is de overdracht van het draaimoment via elastisch stoot- en trillingdempend materiaal.

• Het kenmerk van een schakelbare koppeling is dat je deze kunt in- en uitschakelen tijdens het in bedrijf zijn.

• Schakelmechanismen die gebruikt worden om een koppeling te kunnen schakelen: © Kenteq

75

– – – –

76

mechanische elementen hydraulische bekrachtiging pneumatische bekrachtiging elektromagnetische bekrachtiging.

Askoppelingen

4.9

Antwoorden Antwoord 1 De klemkoppeling bestaat uit twee gietijzeren of gietstalen schalen. De schalen kunnen met bouten of klemringen op de assen worden geklemd.

Antwoord 2 Het draaimoment kan worden overgebracht door de tangentiale wrijvingskracht Fw en de schuifkracht van de bouten.

Antwoord 3 Het belangrijkste kenmerk van elastische koppeling is de overdracht van het draaimoment via elastisch stoot- en trillingdempend materiaal.

Antwoord 4 Elastische koppelingen kunnen een zeer kleine asafwijking van 2 a 3° opvangen.

Antwoord 5 Het belangrijkste kenmerk van een schakelbare koppeling is dat je deze kunt in- en uitschakelen tijdens het in bedrijf zijn.

Antwoord 6 De Ortlinghaus-lamellenkoppeling wordt toegepast bij de automatische halveoverwegbeveiliging en de zogenaamde AHOB-installatie.

Antwoord 7 Het is belangrijk dat er drukverschil blijft bestaan tussen de koppelingshelften A en B. Wanneer er geen drukverschil is, valt de stroming weg en daarmee de verbinding.

Antwoord 8 Verschillende schakelmechanismen die gebruikt worden om een koppeling te kunnen schakelen zijn: • mechanische elementen • hydraulische bekrachtiging • pneumatische bekrachtiging • elektromagnetische bekrachtiging.

© Kenteq

77

78

Askoppelingen

5 Spanningen Inleiding Spanning is een bepaalde hoeveelheid kracht die wordt uitgeoefend op een bepaalde oppervlakte-eenheid. De spanning op een constructie mag niet te groot worden, anders breekt de constructie. Er zijn verschillende soorten spanning. Je leert meer over deze soorten en je leert hoe je ze berekent.

Normaalspanning

Leerdoelen Je • • • • • • • • •

© Kenteq

kunt: diverse soorten belastingen benoemen de begrippen kracht, spanning, normaaldoorsnede, normaalspanning beschrijven de begrippen trekkracht en drukkracht beschrijven de begrippen normaalspanning, dwarsspanning en toelaatbare spanning en optredende spanning beschrijven de formule voor de trekspanning en drukspanning toepassen de begrippen afschuiving en stuik beschrijven de formule voor de afschuifspanning en de stuikspanning toepassen het begrip vlaktedruk beschrijven de formule voor de vlaktedruk toepassen.

79

5.1

Context Het begrip kracht, het hoofdonderwerp waarover dit hoofdstuk gaat, zegt ons in de eerste plaats weinig. Je hebt ongetwijfeld wel eens gekeken naar een wedstrijd touwtrekken. Vaak zie je dan de deelnemers met de hakken in de grond, aan beide zijde van het touw, vreselijk hard trekken terwijl het touw niet opschuift. Er wordt een grote kracht uigeoefend maar geen arbeid geleverd. Dat gebeurt pas als het touw zich verplaatst en de ene ploeg de andere over de streep trekt. Je kunt de kracht dus niet zien maar hij is er wel, kijk maar naar de gezichten van de touwtrekkers.

Ook als je op de flets stapt moet je een kracht leveren op de trappers om vooruit te komen. De kracht die je met de benen en voeten ontwikkelt, wordt dan doorgegeven aan de trapas. De fiets komt dan in beweging door de ontwikkelde kracht van ons lichaam.

Fietsmechanisme

Wanneer je meer weerstand krijgt zul je meer kracht moeten leveren om deze weerstand te overwinnen. Als je bijvoorbeeld met je fiets een helling oprijdt moet je meer kracht leveren dan wanneer de weg vlak is.

Een ander voorbeeld: wanneer wij op een stoel gaan zitten ontstaat er een kracht op deze stoel. Als de kracht te groot wordt dan bezwijkt deze. De kracht op de stoel wordt veroorzaakt door het gewicht van de persoon die op de stoel gaat zitten. Bij het bezwijken van de stoel kan het zijn, dat men er meer kracht opzet dan mag, of dat de constructie van de stoel niet goed is. Wanneer de constructie niet goed is, wordt hiermee bedoeld dat deze bezwijkt ondanks het niet overschrijden van de maximale kracht. Deze voorbeelden geven dan dat je met krachten rekening moet houden in de constructies die je bedenkt. In dit hoofdstuk wordt ingegaan op diverse soorten belastingen die kunnen ontstaan en wat daarvan de gevolgen zijn. Dit wordt mechanica genoemd.

80

Spanningen

5.2

Begrippen: normaaldoorsnede, normaalspanning Wanneer je een balk of staaf uitwendig belast, heeft dit inwendige krachten tot gevolg. De uitwendige kracht wordt in het materiaal opgevangen door de aantrekkingskracht tussen de materiaaldeeltjes onderling. Een inwendige kracht wordt over het oppervlak verdeeld, zodat ieder deeltje zijn bijdrage levert aan het opvangen van de belasting. De kracht is als het ware de resultante van alle krachtjes die op ieder deeltje in het oppervlak werken. Onder de resulterende kracht versta je de vervangende kracht voor alle krachtjes.

Ieder deeltje van het oppervlak kan een maximale belasting aan. Als het aantal deeltjes toeneemt en daarmee het oppervlak groter wordt, kan er een grotere kracht opgevangen worden.

Een inwendige kracht wordt gelijkmatig over het oppervalk verdeeld

Het antwoord op de vraag of een voorwerp een bepaalde belasting kan weerstaan, wordt daarom bepaald door de verdeling van de kracht over het oppervlak. Per vierkante millimeter moet het materiaal een kracht van een bepaald aantal newton kunnen weerstaan. De kracht per oppervlakte-eenheid wordt de spanning genoemd.

Spanning is kracht per oppervlakte-eenheid Het dwarsdoorsnedevlak noem je de normaaldoorsnede. Deze wordt vaak kortweg beschreven als doorsnede.

Met een dwarsdoorsnede wordt bedoeld, het beeld dat je ziet als je het materiaal loodrecht op de hartlijn doorzaagt. Een doorsnede is te zien in de afbeelding. Als de spanning loodrecht op het vlak van de normaaldoorsnede werkt, spreek je van een normaalspanning. Het symbool voor een normaalspanning is s (sigma).

Normaalspanning

In formulevorm: F normaalkracht â†’Ďƒ = n oppervlak A N In eenheden:N/mm2 = mm2 Spanning=

Een normaalspanning staat loodrecht op het normaaldoorsnede-oppervlak

Š Kenteq

81

5.3

Soorten spanningen Je kunt een onderverdeling maken in een aantal voorkomende spanningen.

Ten eerste de groep waarbij de spanningen loodrecht op de normaaldoorsnede werken: • trekspanning ( σ ) t

• drukspanning ( σ ) d • buigspanning ( σ ) b • knikspanning ( σ ) k Ten tweede de spanningen waarbij de spanningen in het vlak van de normaaldoorsnede werken: • dwarsspanning (schuifspanning ) ( σ ) D

• wringspanning ( σ ) w

Ten derde een groep waarbij spanningen ontstaan tussen twee delen die door middel van kracht met elkaar in aanraking komen: • stuikspanning ( σ ) s

• vlaktedruk (spanning) ( σ ) o Hieronder zie je hoe de hierboven genoemde spanningen ontstaan.

82

Spanningen

Spanningen

1.

5.4

Welk soort spanning zorgt ervoor dat je materiaal verdraait?

Dwarsspanning Je hebt nu kennis gemaakt met de normaalspanning en enkele soorten spanningen die voorkomen. Werkt de spanning in het vlak van de normaaldoorsnede, dan noem je het een dwarsspanning. Een dwarsspanning heeft als symbool τ (tau): F dwarskracht →τ = d oppervlak A N In eenheden:N/mm2 = mm2

Schuifspanning =

Een dwarsspanning ligt in het vlak van normaaldoorsnede © Kenteq

83

De spanning is, net als de kracht, een vectorgrootheid. Dit betekent dat de spanning zowel een grootte als een richting heeft. Spanningen kunnen daardoor worden samengesteld en ontbonden. Kracht en spanning hebben dezelfde richting. De dwarsspanning die ontstaat noem je: schuifspanning, symbool σ D Schuifspanning

Omdat de normaalspanning en de schuifspanning loodrecht op elkaar staan, kan iedere willekeurige spanning ontbonden worden in een normaalspanning en een schuifspanning. Ieder materiaal heeft een grenswaarde voor de normaal- en schuifspanning. Dit heet de toelaatbare normaal- of schuifspanning.

Deze wordt aangegeven met een streepje boven het spanningssymbool: σ of τ .

Boven deze grenswaarden zullen er ontoelaatbare vervormingen in het materiaal optreden. De grenswaarde zijn materiaalafhankelijk en ze zijn terug te vinden in tabellen.

In het spanningsrekdiagram met daarin aangegeven waar je de rekgrens Re moet zoeken. De rekgrens is het punt waar de elastische vervorming overgaat in de plastische vervorming. In formulevorm geldt:

σ t = 0, 7 Re waarin: 2 σ t = toelaatbare trekkracht in N/mm

Re = rekgrens in N/mm2 De factor 0,7 is dusdanig gekozen zodat de spanning altijd binnen het elastische gebied valt. In de praktijk wordt σ nog vermenigvuldigd met een belastingfactor f . t b

84

Spanningen

Spanningsrekdiagram

5.5

Belasting op trek Aan de ingeklemde staaf wordt aan het vrije uiteinde getrokken met een kracht F. Als reactiekracht volgt in de doorsnede een inwendige normaalkracht N = F. De normaalkracht staat loodrecht op de doorsnede. N wordt evenredig over het oppervlak verdeeld en zorgt daarmee voor een normaalspanning over het oppervlak.

Ingeklemde staaf met kracht F

De normaal- of trekspanning σ staat loodrecht op de doorsnede. Als het doorsnedet oppervlak van de staaf bekend is, kan de optredende trekspanning worden berekend volgens:

σt =

F of A

σt =

Fmax A

Om ontoelaatbare vervormingen te voorkomen, moet de trekspanning beneden de toelaatbare trekspanning voor dit materiaal blijven:

σt ≤ σt

© Kenteq

85

Gegeven: Hier wordt een balk weergegeven die wordt belast. De toelaatbare trekspanning in het materiaal bedraagt

σ t = 120 N/mm2 Aan de balk wordt getrokken met een kracht F = 240 kN.

Balk met dwarsdoorsnede

Gevraagd: Bepaal de minimale hoogte van de balk als de breedte 20 mm bedraagt.

Uitwerking:

σt =

F A

240.000 N 20 mm × h mm 240.000 N h= 120 N/mm2 × 20 mm h = 100 mm

120 N/mm2 =

Gegeven: De balk van voorbeeld 1 is vervaardigd van S235.

Gevraagd: Met welke trekkracht mag men de balk maximaal belasten?

Uitwerking: Volgens het spanningsrekdiagram de σ van S235 gelijk aan 240 N/mm2. Voor σ = 1 e t x 0,7 x 240 N/mm2 = 168 N/mm2 Je hebt in voorbeeld 1 al gezien dat voor het oppervlak A geldt: 20 ´ 100 = 2000 mm2.

Bereken nu zelf met behulp van:

σt = Fmax

Fmax A = σt ⋅ A

Het antwoord is 336.000 N of 336 kN.

86

Spanningen

Spanningsrekdiagram S235

Gegeven: Hier zie je de doorsnede van een pijp. Voor de pijp geldt een Re van 240 N/mm2.

Doorsnede van een pijp belast op trek

Gevraagd: Bereken de maximale trekkracht die op deze pijp mag worden toegelaten.

Uitwerking:

σ t = 0, 7 × Re σ t = 0, 7 x 240 N/mm2 σ t = 168 N/mm2 Fmax Fmax = π 2 π 2 A D − d 4 4 Fmax 168 N/mm2 = π π  2 2  4 × 20 − 4 × 16   

σt =

Fmax = 168 N/mm2 x 113, 1 mm2 Fmax = 19.000, 8 N = 19 kN

© Kenteq

87

2.

5.6

Wat wordt bedoeld met toelaatbare trekspanning?

Belasting op druk De staaf wordt belast met een drukkracht Fd. Hierdoor ontstaat een inwendige normaalkracht Fn = Fd∙

Staaf met drukkracht Fd

De kracht wordt over het oppervlak van de dwarsdoorsnede verdeeld. De drukspanning σ tengevolge van het tegen elkaar aandrukken van de deeltjes in de d

dwarsdoorsnede met oppervlak A bedraagt:

σd =

F A

of σ d =

Fmax A

Als de spanning tussen de ingedrukte deeltjes te groot wordt, kunnen er scheuren ontstaan in het materiaal: het materiaal wordt 'kapotgedrukt'. Om dit te voorkomen, geldt er ook een maximaal toelaatbare drukspanning voor ieder materiaal.

Een drukkracht kan ook knik veroorzaken.

Hier zie je een staaf die op een drukkracht is belast. Wanneer de staaf lang genoeg is kan deze 'knikken', zie de stippellijn. Dit verschijnsel noem je knik en wordt veroorzaakt door een drukkracht. Knik is véél 'gevaarlijker' dan druk. Het vereist bij berekenen ook een totaal andere benadering! Bij alle voorbeelden en vragen hierna laten we knik buiten beschouwing.

88

Een op knik belaste staaf

Spanningen

Gegeven: Een korte stalen holle buis. De toelaatbare drukspanning voor dit materiaal bedraagt σ = 120 N/mm2 d Gevraagd: De maximale drukbelasting voor de buis.

Staande holle buis

Uitwerking:

σd =

Fmax A Fmax

120 N/mm2 =

Fmax Fmax

π (502 − 402 ) mm2 4 π = 120 N/mm2 × (502 − 402 ) mm2 4 = 84.823 N of 84, 8 kN

Gegeven is een HE 120 A, σ d = 120 N/mm2 Gevraagd: Met welke drukkracht mag je het profiel belasten?

Uitwerking: Eerst moet je het oppervlak in de dwarsdoorsnede in een tabellenboek opzoeken. Je vindt dan een oppervlakte van 2534 mm2. Je kunt nu de maximaal toelaatbare drukkracht berekenen met:

σd =

Fmax A

120 N/mm2 = Fmax

© Kenteq

Fmax

2534 mm2 = 304.080 N = 304 kN

89

5.7

Belasting op afschuiving Tot dusver heb je alleen voorwerpen bekeken die belast werden door krachten die loodrecht op de dwarsdoorsnede stonden. De draad wordt door de schaar in het vlak van doorsnede belast.

Draad op afschuiving belast

Je zegt dan dat de draad op afschuiving belast wordt. Als je de draad wilt doorknippen, moet je de schuifspanning zover opvoeren dat breuk optreedt. Een ander voorbeeld van het belasten op afschuiving is te vinden in de afbeelding. Hier worden twee platen bij elkaar gehouden door een bout-moerverbinding. Als er aan de platen getrokken wordt, wordt dwarsdoorsnede A van de bout op afschuiving belast.

Twee platen belasten een bout op afschuiving

In dit geval moet natuurlijk voorkomen worden dat de bout kapot scheurt. De schuifspanning in de bout mag daarom de toelaatbare schuifspanning niet overschrijden: τ ≤ τ D

D

Een bout met een doorsnede-oppervlak A wordt op afschuiving belast door een kracht F. De inwendige reactiekracht Fd = F wordt gelijkmatig over het oppervlak verdeeld.

Hierdoor heerst er in de doorsnede een schuifspanning: F A F τ D = max A waarin: τ = optredende schuifspanning in

τD =

D

N/mm2; F = kracht in het vlak van doorsnede in N; A = dwarsdoorsnede oppervlak in mm2; τ = toelaatbare schuifspanning in D

Schuifspanning

N/mm2.

90

Spanningen

Als er geen ontoelaatbare vervormingen in het materiaal mogen optreden, geldt overal voor deze schuifspanning: τ ≤ τ D

D

Proefondervindelijk is voor boutmateriaal vastgesteld dat: τ = 0, 8 × σ D t Voorbeeld 6 Gegeven: Twee stangen zijn met elkaar verbonden door een bout-moerverbinding. Een van de stangen heeft een vorkvormig uiteinde. Dit noem je een gaffel.

Hierin past het uiteinde van de andere stang. De toelaatbare schuifspanning bedraagt 100 N/mm2. De verbinding moet een trekkracht van Ft = 120 kN kunnen opnemen.

Twee stangen verbonden door een bout-moerverbinding

Gevraagd: Bereken de minimale dikte van de bout.

Uitwerking: De bout wordt op twee plaatsen op afschuiving belast: doorsnede A en doorsnede B. Dit noem je dubbelsnedig. De kracht Ft wordt over deze twee dwarsdoorsnedeoppervlakken verdeeld:

τD =

d =

Fmax A

→

100 N/mm2 =

120.000 N 100 N/mm2 × 2 ×

π 4

→

120.000 N π 2 × × d2 4 d = 27, 64 mm ≈ 28 mm

We passen hier een bout M30 toe.

Je ziet hier dat er twee doorsnede-oppervlakken moeten worden afgeschoven om de verbinding te doorbreken. Het oppervlak wordt ook tweemaal in rekening gebracht.

Deze moeten zoals de berekening weergeeft, beide worden meegenomen.

Let dus goed op bij berekeningen hoeveel doorsnede-oppervlakken moeten worden afgeschoven om de verbinding te doorbreken. Dus enkelsnedig of dubbelsnedig.

© Kenteq

91

3.

5.8

Wat is belasting op afschuiving?

Stuikspanning Naast het berekenen van een verbinding op trek, druk of afschuiving ga je kijken naar de zogenaamde stuikspanning. In de afbeelding staat een belastingsvoorbeeld getekend die we zullen bespreken. De kracht F zal er voor zorgen dat de bout die de twee strippen verbindt in de gatwand van deze strippen wil dringen. Er ontstaat dan een spanning in deze wand. Deze spanning noem je de stuikspanning, met het symbool Ďƒ . Stuikspanning is een spanning tussen twee materialen. Het wordt daarom s

ook wel contactspanning genoemd.

Stuikspanning

Wanneer de kracht te groot is zal de boutsteel dus het materiaal vervormen. Doordat de boutsteel verder in het stripmateriaal zal dringen, wordt het spanningsoppervlak groter en dus de stuikspanning kleiner. In afbeelding a zie je de beginsituatie. De kracht F is zo groot dat er tussen boutsteel en strip een te hoge stuikspanning ontstaat. Afbeelding b geeft aan dat de boutsteel een stukje in de stripwand is gedrongen. Je ziet een terugloop van de stuikspanning.

92

Spanningen

Spanningsverloop stuik

Bij berekeningen ga je uit van de gemiddelde σ , afbeelding c. s Voor σ geldt: σ = 1, 4 R s s e Voor S235 geldt: σ = 1, 4 × 240 N/mm2 = 336 N/mm2 s Voor boutmateriaal geldt σ vaak σ = 1, 6 x σ s s t Ook deze waarden zijn weer proefondervindelijk vastgesteld.

Wanneer je kijkt naar het verloop van de stuikspanning in de afbeeldingen a,b en c zie je dat de stuikspanning niet gelijkmatig verloopt. Het is daarom eigenlijk onterecht te spreken over de gemiddelde σ . Om deze fout te compenseren werk je met een s

kleiner oppervlak dan dat in werkelijkheid aanwezig is.

Dit wordt het zogenaamde geprojecteerde oppervlak genoemd.

© Kenteq

93

Het is van belang te weten welk oppervlak je in rekening moeten brengen.

In de afbeelding is dit getekend. Hiervoor geldt dus de diameter van de steel maal de dikte van de enkele strip. Let hierbij op wanneer er strippen worden gebruikt met verschillende dikten. De strip waarop de grootste kracht staat en die de kleinste dikte heeft zal de grootste stuikspanning opleveren, zie voorbeeld 8.

Geprojecteerd oppervlak

Voor het berekenen van de stuikspanning geldt de volgende formule:

σs =

F Aproj

en bij maximaal toelaatbare spanning

σs =

Fmax Aproj

Voorbeeld 7 Gegeven: De verbinding wordt gemaakt met een zeskantbout M16 en moer.

De steeldiameter is 16 mm. De σ = 280 N/mm2 s

Boutverbinding op stuik belast

Gevraagd: Bereken nu de Fmax. De dikte van de strippen is 8 mm.

Uitwerking: Voor het geprojecteerd oppervlak geldt nu: 1 (strip) ´ 8 mm (stripdikte) ´ 1 (bout) ´ 16 (boutdiameter)

94

Spanningen

σs =

Fmax Aproj

280 N/mm2 =

Fmax 1 × 8 mm × 1 × 16 mm

Fmax = 280 N/mm2 ´ 1 ´ 8 mm ´ 1 ´ 16 mm = 35840 N = 36 kN Voorbeeld 8 Gegeven: Hier wordt een penverbinding weergegeven met alle constructieve gegevens.

Penverbinding

Gevraagd: Bereken de hoogst optredende stuikspanning.

Uitwerking: Eerst bereken je de optredende stuikspanning in de strip van 5 mm.

Voor het geprojecteerd oppervlak geldt nu: 1 (strip) ´ 5 mm (stripdikte) ´ 1 (pen) ´ 12 mm (pendiameter)

σs =

F Aproj

σs =

15.000 N 1 × 5 mm × 1 × 12 mm

σ s = 250 N/mm2 Nu bereken je de optredende stuikspanning in de strip van 10 mm.

Voor het geprojecteerd oppervlak geldt nu: 1 (strip) ´ 10 mm (stripdikte) ´ 1 (pen) ´ 12 (pendiameter)

σs =

15.000 N 1 × 10 mm × 1 × 12 mm

σ s = 125 N/mm2 De hoogst optredende stuikspanning is dus die van 250 N/mm2 in de strip van 5 mm.

Voorbeeld 9 Gegeven: Hier wordt een penverbinding weergegeven met alle constructieve gegevens.

© Kenteq

95

Penverbinding

Gevraagd: Bereken de hoogst optredende stuikspanning.

Uitwerking: Eerst bereken je de optredende stuikspanning van de twee strippen van 5 mm.

Voor het geprojecteerde oppervlak geldt nu: 2 (strippen) ´ 5 mm (stripdikte) ´ 2 (pennen) ´ 12 mm (pendiameter)

σs =

F Aproj

σs =

50.000 N 2 × 5 mm × 2 × 12 mm

σ s = 208, 33 N/mm2 Nu ga je de optredende stuikspanning voor de strip van 12 mm berekenen.

Voor het geprojecteerd oppervlak geldt nu: 1 (strip) ´12 mm (stripdikte) ´ 2 (pennen) ´ 12 mm (pendiameter)

σs =

F Aproj

σs =

50.000 N 1 × 12 mm × 2 × 12 mm

σ s = 173, 61 N/mm2 De hoogste stuikspanning treedt op in de twee strippen van 5 mm.

5.9

Vlaktedruk Wanneer je door de sneeuw loopt dan zie je een afdruk van de schoenen in de sneeuw. Blijkbaar is de kracht die je op de sneeuw uitoefent groot genoeg om een afdruk achter te laten. Je moet er dus voor zorgen dat de kracht over een groter oppervlak verdeeld wordt zodat je niet te ver in de sneeuw wegzakt.

Natuurlijk is de mens al zo slim geweest hieraan het schoeisel wat gedragen wordt, aan te passen.

Sneeuwschoenen

96

Spanningen

De druk die heerst tussen twee vlakken noem je de vlaktedruk die je aanduidt met het symbool so. Druk tussen vlakken onderling komt bijvoorbeeld voor wanneer je het hebt over lagers, spieën, kolomvoeten, balkopleggingen en fundering van huizen.

Vlaktedruk tussen kolom en fundering en tussen fundering en zandbodem

Vlaktedruk is, evenals stuikspanning, een heel andere spanning dan bijvoorbeeld trekspanning of schuifspanning. Voor het berekenen van de vlaktedruk gebruik je de volgende formules:

σ0 =

F Aproj

en voor de maximale vlaktedruk geldt:

σ0 =

Fmax Aproj

Je rekent met het geprojecteerde oppervlak. Dat is eigenlijk de schaduw van de plaat met de gaten wanneer je deze schaduw met een lamp zou projecteren. Dit oppervlak moet je dus in de berekening meenemen.

Voorbeeld geprojecteerd oppervlak

Voor diverse materialen, die op elkaar een druk uitoefenen, zijn de toelaatbare vlaktedrukken die in rekening moet worden gebracht, bekend. In de tabel zijn deze weergegeven.

© Kenteq

97

Materiaalcombinatie

σ 0 = (N/mm2 )

Staal op brons

6

Gehard staal op brons

8-12

Gietijzer op brons

3

Staal op gietijzer

2,5

Gehard staal op witmetaal

6,20

Toelaatbare vlaktedrukken

Je gaat nu aan de hand van enkele voorbeelden bekijken hoe je moet rekenen met de vlaktedruk.

Gegeven: Hier wordt een oplegging van een balk weergegeven.

Het is een HE 200 B die is opgelegd op een muur.

Gevraagd: Bereken de maximale kracht die met een toelaatbare vlaktedruk van 2 N/mm2 mag worden toegelaten.

Oplegging van een balk

Uitwerking: Het geprojecteerde oppervlak is hier gelijk aan de lengte van de balk op de muur × de breedte van de HE 200 B, dus: 300 mm × 200 mm = 60.000 mm2

σ0 =

Fmax Aproj

2 N / mm2 =

Fmax 60.000 mm2

Fmax = 120.000 N = 120 kN

98

Spanningen

Voorbeeld Gegeven Een glijlagerconstructie mag een toelaatbare vlaktedruk hebben van 6 N/mm2.

Glijlagerconstructie

Gevraagd Bereken de maat (l) van de lagerschaal die nodig is voor het glijlager bij een belasting van 1,2 kN. Oplossing Het geprojecteerde oppervlak is hier gelijk aan de diameter van as × de lengte van de lagerschaal.

Aproj = 10 mm × l

σ0 =

Fmax Aproj

6 N/mm2 =

1200 N Aproj

Aproj = 200 mm2 Aproj = 10 mm × l = 200 mm2 l=

200 mm2 10 mm

l = 20 mm 4.

© Kenteq

Waarom is vlaktedruk een heel ander soort spanning dan bijvoorbeeld trekspanning?

99

5.10

Software Er zijn diverse mogelijkheden om met behulp van een of meerdere softwarepakketten de hierboven beschreven spanningen te berekenen. Binnen de opleiding zal zeker een mogelijkheid aanwezig zijn om met een dergelijk pakket aan de slag te gaan.

100

Spanningen

5.11

Samenvatting • Spanning is de kracht per oppervlakte eenheid.Er zijn verschillende soorten spanningen: – spanningen die loodrecht op de normaaldoorsnede werken – spanningen die in het vlak van de normaaldoorsnede werken – spanningen die ontstaan tussen twee delen die door middel van kracht met elkaar in aanraking komen.

• Spanningen die loodrecht op de normaaldoorsnede werken, zijn: – trekspanning ( σ ) t

–

drukspanning ( σ )

–

buigspanning ( σ )

–

knikspanning ( σ ).

d

b

k

• Spanningen die in het vlak van de normaaldoorsnede werken, zijn: – dwarsspanning (schuifspanning ) ( σ ) D

–

wringspanning ( σ ). w

• Spanningen die ontstaan tussen twee delen die door middel van kracht met elkaar in aanraking komen, zijn: – stuikspanning ( σ ) s

–

vlaktedruk (spanning) ( σ ). o

• Het symbool voor spanningen loodrecht op de normaaldoorsnede is σ. Het symbool voor spanningen die werken in het vlak van de normaaldoorsnede is τ .

• De formules voor het bereken van verschillende soorten spanning zijn: –

Voor de normaalspanning geldt: σ = F A

–

Voor de dwarsspanning geldt: τ = F A

–

Voor de trekspanning geldt: σ = F of t A

–

Voor de drukspanning geldt: σ = F d A

–

Voor de schuifspanning geldt: τ = F D A vlakken dat wordt doorsneden)

–

Voor de stuikspanning geldt: σ s = F Aproj

Fmax A

σt =

of σ d =

Fmax A

of τ D =

Fmax (let hierbij op het aantal A

of σ s =

Fmax (let hierbij op het Aproj

geprojecteerde oppervlak) –

Voor de oppervlaktespanning geldt: σ 0 = F Aproj

of σ 0 =

Fmax (let hierbij ook op Aproj

het geprojecteerde oppervlak).

• Voor de toelaatbare spanningen gelden de volgende regels: – σ = 0, 7 × R t

© Kenteq

e

101

5.12

–

τ D = 0, 8 × σ t

–

σ s = 1, 4 × Re

–

σ 0 = 1, 6 × σ t

Antwoorden Antwoord 1 Wringspanning zorgt ervoor dat je materiaal verdraait.

Antwoord 2 Met toelaatbare trekspanning wordt de trekspanning bedoeld die een materiaal maximaal kan verdragen zonder ontoelaatbare vervorming.

Antwoord 3 Belasting op afschuiving is belasting in het vlak van doorsnede, doordat twee vlakken langs elkaar schuiven.

Antwoord 4 Bij trekspanning werkt de spanning loodrecht op de normaaldoorsnede. Bij vlaktedruk ontstaat spanning tussen twee delen die door middel van kracht met elkaar in aanraking komen.

102

Spanningen

6 Tijdschakelingen Inleiding In een aantal schakelingen speelt de tijd een rol. Bepaalde commando's moeten bij het in- of het uitschakelen een zekere vertraging ondervinden.

Logisch schema inschakelvertraging

Bij alle schakelingen waarmee je tot nu toe hebt kennis gemaakt, wordt een commando gegeven op het moment dat je één of meerdere signaalgevers bedient.

Een besturing waarbij na het bedienen van de nodige signaalgevers, het commando nog even uitblijft is een inschakelvertraging, een andere naam is opkomvertraging.

Bij weer andere besturingen blijft het commando nadat de signaalgevers weer in de ruststand staan, nog enige tijd gehandhaafd. Dit is een uitschakelvertraging, een andere naam is afvalvertraging.

Je vindt deze schakelingen bij pneumatische cilinders, maar ook bij verlichting van trappenhuizen, automatisch spoelen van toiletten en bij beveiligingen. Je kunt een auto met een bepaalde startblokkering alleen starten als je binnen een bepaalde tijd een code hebt ingetoetst.

Leerdoelen Je • • • •

© Kenteq

kunt: de werking van een in- en uitschakelvertraging uitleggen het logische, pneumatische en elektrische schema van deze vertragingen tekenen de werking en toepassing van enkele schakelingen met tijdvertragingen benoemen een tijdvertraging toepassen in een volgordeschakeling.

103

6.1

Context In de afbeelding zie je een deur die elektrisch bediend wordt. Nadat de deur door het geven van een signaal geopend is, mag deze deur pas na enige tijd sluiten.

De deur sluit na enige tijd vanzelf.

6.2

Inschakelvertraging Bij een inschakelvertraging verschijnt het commando pas enige tijd nadat een signaal is gegeven. Als het signaal verdwijnt, verdwijnt het commando ook.

Pneumatische inschakelvertraging Principe In de pneumatiek wordt een tijdschakeling gerealiseerd door de druk op de stuurpoort van een ventiel langzaam te laten toe- of afnemen.

Hieronder zie je een pneumatische inschakelvertraging. Zodra je ventiel 'a' bedient, stroomt de perslucht via de smoring in het reservoir R. Hierdoor stijgt de druk langzamer. Het duurt enige tijd voordat de druk in R voldoende hoog gestegen is om het ventiel 'b' te bedienen. Deze druk is de inschakeldruk van het ventiel.

Het commando U+ heeft nu een inschakelvertraging ten op zichte van ventiel 'a'.

Onder het schema is een signaal-tijddiagram getekend. Een 'blokje' in dit diagram stelt de tijd voor waarin een ventiel bediend is, de tijd is op schaal getekend.

Let op!

Dit signaal-tijddiagram verschilt enigszins van het in het vorige blok behandelde bewegingsdiagram.

Met een bewegingsdiagram ontwerp je schakelingen, met een signaaltijddiagram verklaar je de werking van een schakeling.

De vertragingstijd stel je in met de smoring. Draai je deze verder dicht, dan wordt de vertragingstijd groter.

Als ventiel 'a' weer onbediend raakt, loopt het reservoir snel leeg via de terugslagklep.

104

Tijdschakelingen

Pneumatische inschakelvertraging

De vertragingstijd hangt af van drie factoren: 1. de inhoud van het reservoir; 2. de instelling van de smoring; 3. de voedingsdruk.

De inschakelvertraging neemt toe als je de voedingsdruk van een pneumatische tijdschakeling kleiner maakt. Het reservoir wordt nu minder snel gevuld.

Nauwkeurigheid In het grafiek zie je een lijn a getekend. Deze geeft de druk weer waarbij de schuif van het 4/2-ventiel 'b' uit de pneumatische inschakelvertraging begint te bewegen: de inschakeldruk. De schuif drukt een veer in. Naarmate je een veer verder indrukt, neemt ook de kracht van de veer toe. De druk op de stuurpoort moet dan ook weer een beetje groter worden; lijn b geeft deze druk aan. Het duurt daarom even voordat het ventiel geheel omgeschakeld is. Dit merk je vooral als je tijdschakelingen van 0,5 minuut of meer gaat maken.

Een pneumatische tijdschakeling is niet erg nauwkeurig. Als je een vertraging van tien seconden instelt, kan deze de ene keer negen en de andere keer elf seconden zijn.

Š Kenteq

105

Drukverandering als functie van de tijd

De onnauwkeurigheid is circa tien procent. Een klok die per etmaal een half uur achter loopt is nog vele malen nauwkeuriger dan een pneumatische tijdschakeling! Toch zijn er toepassingen genoeg waarbij deze onnauwkeurigheid niet bezwaarlijk is.

Toepassingen Bij een bepaalde installatie stel je de eis dat een zuigerstang pas uitgaat als je de startknop langer dan twee seconden indrukt. Pas je een inschakelvertraging toe, dan heeft een toevallige kortstondige bediening van de startknop geen gevolgen.

Bij ingewikkelde besturingen treden wel eens drukstoten in een leiding op. Een mogelijke oorzaak hiervan is een tweedrukventiel dat niet meteen sluit als een van de beide ingangen wordt belucht. Als deze leiding naar de stuurpoort van een bistabiel ventiel voert, is het mogelijk dat dit ventiel onbedoeld schakelt omdat dit ventiel maar een lage stuurdruk nodig heeft. Een smoring in deze leiding levert al voldoende vertraging op.

Als twee cilinders, U en W, even na elkaar moeten uitgaan, neem je een opkomvertraging tussen de commando's U+ en W+ op. Commando W+ komt dan bijvoorbeeld enkele seconden later dan U+.

Elektrische inschakelvertraging Principes Er zijn diverse elektrische tijdschakelingen op de markt.

• Een mechanisch uurwerk met een veer als aandrijving, bedient na een bepaalde tijd een schakelaar. Deze tijdschakelaar vind je in elektrische fornuizen om de oven na enige tijd uit te schakelen.

• Bij de tijdschakelaars die je in een stopcontact kunt steken krijg je de tijdvertraging door een elektromotortje die na een in te stellen tijd een schakelaar bedient. Door bepaalde pennetjes weg te drukken kun je een tijd in veelvouden van 10 minuten instellen.

• Elektronische tijdschakelingen. Met behulp van transistoren, weerstanden en condensatoren kan men zowel in- als uitschakelvertragingen maken.

• Tijdrelais. Dit zijn relais met enkele maak- en verbreekcontacten en een unit met micro- elektronica. Met behulp van een instelschroef kun je uit meerdere tijdschakelingen kiezen, niet alleen in- en uitschakelvertragingen, maar ook nog impulsvormers. Dit zijn schakelingen die gedurende een bepaalde instelbare tijd een commando geven.

106

Tijdschakelingen

Elektrisch schema Hier zie je het stroomkringschema met een tijdrelais en het bijbehorende pneumatische schema. Je ziet dat aan de relaisspoel een blokje is getekend. Als er in dit blokje een kruis staat is het een inschakelvertraging. Een tijdrelais duid je altijd aan met een hoofdletter T gevolgd door een cijfer.

Elektrische inschakelvertraging

Relaiscontacten zijn voorzien van een 'parachute' (t0). Hiermee geef je aan dat het contact niet meteen sluit (of verbreekt) zodra je het relais bekrachtigt. Je kunt dus zowel aan het vakje met het kruis als aan de parachute zien dat je met een inschakelvertraging te maken hebt. Het maakcontact van het tijdrelais duid je aan met een kleine letter 't' gevolgd door hetzelfde cijfer als dat bij het relais staat.

Zo ook bij een verbreekcontact: contacten van T0 zijn t0 en t .

0

Logisch schema en formule Zoals je ziet bestaat het logische schema uit drie blokjes: Logisch schema inschakelvertraging

1. Het eerste blokje is de signaalgever. Hier is deze signaalgever een schakelaar met maakcontact. Het kan echter evengoed de uitgang van een logische schakeling zijn of een schakelaar met een verbreekcontact.

2. Het tweede blokje is de spoel van het tijdrelais; hier staat altijd de hoofdletter T bij, eventueel met een cijfer.

Bij pneumatische uitvoeringen stelt dit blokje het pneumatische tijdelement - de smoring en het reservoir - voor.

Als de vertragingstijd bekend is vul je, op de plaats van de letter 't' in het symbool, de tijd in seconden in; bijvoorbeeld: 6 sec.

De letter 't' moet persĂŠ links in het symbool staan, anders is het een uitschakelvertraging.

Bij de uitgang van het blokje schrijf je het signaal met kleine letter, bijvoorbeeld: 't0'. Š Kenteq

107

3. Het laatste blokje is het maakcontact van het tijdrelais of het 3/2-ventiel van de pneumatische schakeling. Als je een verbreekcontact van het tijdrelais gebruikt of een 3/2-NO-ventiel, dan teken je hier een invertor.

Voor elke tijdschakeling heb je twee formules nodig: een formule voor T en een formule voor U+.

Voor de afbeelding hierboven luiden de formules: a = T0+ en t0 = U + Denk er aan: hier de kleine letter gebruiken; het signaal t0 van relais T0 geeft het commando U+. Eventueel zet je er de tijd bij: a = T + (6 sec) .

0 Voorbeelden Twee van deze toepassingen worden nu uitgewerkt.

Inschakelvertraging via een OF-schakeling Een enkelwerkende cilinder U moet uitgaan als je ventiel 'a' of ventiel 'b' bedient. Als je 'a' of 'b' tè kortstondig bedient, dat wil zeggen korter dan 2 seconden, dan mag de zuiger van U niet uitgaan. Dit is een beveiliging tegen vergissingen: bij een toevallige bediening heb je nog even tijd om je fout te herstellen.

De formules luiden: a + b = T0 + en t0 = U + Hier is het reservoir iets anders aangesloten dan bij de afbeelding pneumatische inschakelvertraging; voor de tijdvertraging maakt het niets uit.

Het in hieronder staande afbeelding getekende diagram is geen Signaal-Tijddiagram (ST-diagram), maar een WST-diagram, een Weg-Signaal-Tijddiagram.

De beweging van de zuiger van U is er ook bijgetekend; je kunt de weg aflezen die de zuiger in een bepaalde tijd aflegt. De tijd is nu op schaal getekend. Uit het diagram blijkt dat je 'a' of 'b' minstens twee seconden bediend moet houden. Als de functie a + b = 0, (bij 11 seconde) dan verdwijnt het commando U+ en de zuiger van U gaat in.

Hier is aangenomen dat de uitgaande en de ingaande slag van U even lang duren, namelijk 2,5 seconden.

De waarden voor a en b zijn in het WST-diagram volkomen willekeurig aangenomen.

Het zijn handbediende ventielen, dus je kunt ze op elk willekeurig moment bedienen.

Inschakelvertraging via een OF-schakeling: Logisch schema

108

Tijdschakelingen

Inschakelvertraging via een OF-schakeling: Pneumatisch schema

Inschakelvertraging via een OF-schakeling: WST-diagram

Twee cilinders met verschillend inschakeltijdstip Twee cilinders U en W klemmen een werkstuk als je schakelaars 'a' en 'b' bedient. De uitgaande slag van W begint echter steeds drie seconden later dan die van U. Maar als je schakelaar 'c' óók bedient, gaat de zuiger van W onmiddellijk in.

De formules luiden: a ⋅ b = U + = T1+ (3 sec) en t1 ⋅ c = W + Voor U+ en T1+ geldt dezelfde formule; in het logisch schema zie je dit aan het 'Tstuk'. Voor W+ heb je een EN-schakeling van 't1' met het verbreekcontact van 'c'.

Omdat je drie formules hebt (weliswaar twee dezelfde) heb je ook drie stroomtakken: 1, 2 en 3. Het bijbehorende pneumatische schema is niet getekend.

© Kenteq

109

Twee cilinders met verschillend inschakeltijdstip: Logisch schema

Twee cilinders met verschillend inschakeltijdstip: Stroomkringschema

110

Tijdschakelingen

Twee cilinders met verschillend inschakeltijdstip: WST-diagram

In het WST-diagram zie je dat de functie a × b de eerste keer te kortstondig (= 1) is om de zuiger van U helemaal uit te laten gaan. De snelheid waarmee de zuiger ingaat is niet gelijk aan die waarmee hij uitgaat: de helling van de schuine lijn is een maat voor de snelheid.

Je ziet dat de zuiger van W onmiddellijk ingaat als je 'c' bedient, ook al is het tijdrelais nog bekrachtigd.

© Kenteq

1.

Vul in: Met een …………………………….. ontwerp je schakelingen. Met een ……………………… …….. verklaar je de werking van een schakeling.

2.

Waar of niet waar?

De vertragingstijd stel je in met de smoring. Draai je deze verder dicht, dan wordt de vertragingstijd kleiner.

111

6.3

Uitschakelvertraging Bij deze tijdvertraging verschijnt het commando meteen nadat het signaal is gegeven. Als het signaal verdwijnt blijft het commando nog even aanwezig.

Pneumatische uitschakelvertraging Principe Als de terugslagklep van een inschakelvertraging wordt omgekeerd is er praktisch geen inschakelvertraging meer. De perslucht stroomt nu snel in het reservoir. Maar als het ventiel 'a' weer onbediend raakt, neemt de druk in het reservoir slechts langzaam af. Ventiel 'b' blijft zodoende nog even bediend als ventiel 'a' in de rusttoestand staat. Dit is een uitschakelvertraging.

De grootte van de vertragingstijd hangt van bijna dezelfde factoren af als bij de inschakelvertraging. Ook de nauwkeurigheid is hetzelfde. Bij een uitschakelvertraging heb je niet te maken met de inschakeldruk, maar met de lagere uitschakeldruk. De inschakeldruk van een ventiel is bijvoorbeeld 2,5 bar.

Als je de druk op de stuurpoort verlaagt, zal het ventiel pas bij 1 bar terugschakelen. Dit drukverschil van 1,5 bar heet hysterese, zie drukverandering als functie van de tijd. De afstand tussen c en d is het drukverloop tijdens het omschakelen.

De uitschakelvertraging wordt, in tegenstelling met de inschakelvertraging, kleiner als je de voedingsdruk (=de einddruk) lager maakt. Naar verhouding wordt de lijn d eerder bereikt.

Pneumatische uitschakelvertraging

Toepassingen Als je met een cilinder met een monostabiel hoofdstuurventiel een kracht uitoefent, moet je de knop van het ventiel steeds blijven bedienen. Laat je de knop slechts even los, dan gaat de zuigerstang weer in. Wil je voorkomen dat het even loslaten van de startknop gevolgen heeft, dan pas je een uitschakelvertraging toe.

Veronderstel dat je een deur door middel van een pneumatische cilinder met monostabiel hoofdstuurventiel wilt openen en sluiten. Je moet dan op een knop drukken om het commando 'deur open' te geven. Als je een uitschakelvertraging gebruikt, ga je na loslaten van de ventielknop zelf nog ongehinderd door de deur.

De cilinder A die een schudzeef aandrijft heeft een monostabiel hoofdstuurventiel. a0 = A+ 112

Tijdschakelingen

Als standmelder 'a0' wordt bediend, wordt het commando A+ = 1. Om te voorkomen dat het commando meteen verdwijnt zodra 'a0' wordt losgelaten, pas je hier een korte uitschakelvertraging toe. De zuiger gaat helemaal uit, de uitschakelvertraging is niet meer actief en de zuiger gaat weer in. Zodra 'a0' weer bediend wordt gaat A weer uit, enzovoort. Je krijgt dus een continue uit- en ingaande beweging van de zuiger.

Nadat het stopcommando is gegeven mag het gedurende een minuut niet mogelijk zijn om de schudbeweging weer te starten. Hiervoor gebruik je ook een uitschakelvertraging. In de paragraaf 'Voorbeelden' bespreken we de werking.

Elektrische uitschakelvertraging Je maakt hier gebruik van dezelfde elektrische en elektronische componenten als bij een inschakelvertraging.

Elektrisch schema Hieronder zie je het stroomkringschema met een tijdrelais en het bijbehorende pneumatische schema. Het blokje aan de relaisspoel is nu zwart gemaakt.

De parachute van 't1' is nu omgekeerd. Hiermee geef je aan dat het contact niet meteen verbreekt (of sluit) zodra het relais spanningsloos wordt. Je ziet zowel aan het zwarte vakje als aan de omgekeerde parachute dat je met een uitschakelvertraging hebt te maken.

Elektrische uitschakelvertraging

Ook nu bestaat het logische schema uit drie blokjes.

De letter 't' moet persĂŠ rechts in het symbool staan, anders is het een inschakelvertraging.

Logisch schema uitschakelvertraging

De andere blokjes hebben dezelfde functie als bij de inschakelvertraging.

Ook voor deze tijdschakeling heb je twee formules nodig: een formule voor T+ en een formule voor U+.

Hiervoor luiden de formules: a = T0+ (va) en t0 = U +

Š Kenteq

113

De aanduiding 'va' (= vertraagd afvallend) moet er in de formule beslist bij.

Je weet anders niet of je met een in- of een uitschakelvertraging te maken hebt.

Stilzwijgend neem je aan dat het een inschakelvertraging is als er niets bijstaat.

Eventueel zet je er de tijd bij: a = T + (va = 6 sec) 0

Voorbeelden Twee van de toepassingen die in paragraaf 'Pneumatische uitschakelvertraging' zijn vermeld, worden hierna uitgewerkt.

Openhouden van een deur Met cilinder U open je een schuifdeur. Aan beide kanten van de deur is een schakelaar 'a' respectievelijk 'b' aangebracht. Hiermee open je de deur. Op de deur is een beweegbare strip aangebracht. Hiermee bedien je schakelaar 'c'. Als je tussen de sluitende deur komt bedien je schakelaar 'c' via de beweegbare strip; de deur gaat dan onmiddellijk open. 'd' is een schakelaar die je met een sleutel bedient. Hiermee kun je de deur onafhankelijk van de tijdvertraging openhouden.

De formules luiden: a + b + c = T0 + (va = 10 sec) en t0 + d = U + In het WST-diagram is de volgende situatie getekend: Je drukt op de knop van 'a', de deur opent. Je betreedt de ruimte achter de deur. De deur sluit na 10 seconden. Je wilt de ruimte weer verlaten en je drukt op de knop van 'b'. De deur opent. Na tien seconden sluit de deur. Je bent echter in de deuropening blijven staan. Zodra de deur je raakt, bedient de beweegbare strip schakelaar 'c'. De ingaande slag stopt, de zuiger keert om en de deur opent weer.

Bedien je met een sleutel schakelaar 'd', dan opent de deur. In het stroomkringschema zie je dat schakelaar 'd' geen veer heeft. Je moet met de sleutel het contact van 'd' weer openen zodat de deur onmiddellijk sluit.

Openhouden van een deur: Logisch schema

114

Tijdschakelingen

Openhouden van een deur: Stroomkringschema

Pneumatisch schema

Openhouden van een deur: WST-diagram

Besturing schudzeef met startblokkering Pneumatische schema

In de schakeling van deze afbeelding is het commando A+ aanwezig als de poorten '2' van de ventielen 'G' en 'a0' belucht zijn; het tweedrukventiel laat nu perslucht door.

Zodra de zuigerstang van A uit gaat, raakt ventiel 'a0' onbediend en verdwijnt commando A+. De stang van A gaat in, bedient ventiel 'a0' en de zuigerstang gaat weer uit. Het snelheidsregelventiel in de stuurleiding van A+, geeft de zuigerstang de kans om helemaal uit te gaan. Het commando A+ blijft nog even aanwezig, ook al is ventiel 'a0' onbediend, Omdat de benodigde tijd zo kort is, heb je geen reservoir nodig.

Voor de startblokkering maak je gebruik van een uitschakelvertraging en een differentiaalventiel.

Š Kenteq

115

Pneumatisch schema van schudzeef met startblokkering

Differentiaalventiel

Het bistabiele ventiel uit de bovenstaande afbeelding heeft andere stuurpoorten dan een 'normaal' bistabiel 5/2-ventiel.

Differentiaalventiel

Een differentiaalventiel is een bistabiel luchtbediend ventiel waarvan de stuuroppervlakken niet even groot zijn. Als op beide stuurpoorten dezelfde druk staat, is de kracht aan de zijde van de linker stuurpoort '14' het sterkste.

Als de druk op de andere stuurpoort '12' 6 bar is, schakelt het ventiel pas terug als de stuurdruk op stuurpoort '14' tot ongeveer 3 bar is gezakt. In de afbeelding is een doorsnede van een differentiaalventiel getekend; let in het symbool op de aanduiding van de stuurpoorten.

116

Tijdschakelingen

Zodra je op de knop van ventiel 'start' drukt, gaat de zuigerstang van A heen en weer bewegen. Het commando A+ verdwijnt als je op de knop van het ventiel 'stop' drukt.

De zuigerstang van A gaat in. Door de uitschakelvertraging voor het commando G-, kun je nadat je de stopknop hebt ingedrukt, pas na één minuut weer starten. De commando's G+ en G- worden ten opzichte van een 'normaal' 5/2-ventiel op een andere stuurpoort gegeven. Je tekent de leidingen daarom aan het linker vakje. Poort '14' is de 'sterkste poort', hierop moet je 'stop' aansluiten.

Het ventiel 'G' is een onderdeel van de besturing. Het is bistabiel en heeft daarom twee commando's nodig. Het is het 'eindpunt' van twee besturingsformules. Daarom duiden we zo'n ventiel bij wijze van uitzondering ook met een hoofdletter aan. Het signaal dat uit 'G' komt duid je aan met de kleine letter g.

Voor deze schakeling zijn vijf formules nodig: t0 = A+ g ⋅ a0 = T0 + (va = 0, 5 sec) t1 = G − start = G + stop = T1+ (va = 60 sec onden) Logisch schema

De logische symbolen voor bistabiele ventielen verschillen nogal met die van de monostabiele. De bistabiele ventielen hebben twee commando's nodig; het '+' en het '-' commando. Zodra de commando's verdwenen zijn blijft het bistabiele ventiel in die stand staan die het na het laatste commando gekregen heeft. In logische schema's noem je deze ventielen geheugens.

Het '+' commando komt op de 'S-ingang'; het '-' commando op de 'R-ingang'. (S en R zijn afkortingen van Set en Reset).

Omdat een differentiaalventiel één sterkere stuurpoort heeft, zie je rechts in het symbool een '1' en een '0' staan. Hiermee bedoel je dat de uitgang waar een '1' bij staat belucht wordt als het '+' commando en het '-' commando tegelijkertijd aanwezig zijn. Bij het logische symbool voor een 'normaal' 4/2- of 5/2-ventiel ontbreken de '1' en de '0'.

Logisch schema van differentiaalventiel

© Kenteq

117

6.4

3.

Waar of niet waar?

De uitschakelvertraging wordt, in tegenstelling met de inschakelvertraging, kleiner als je de voedingsdruk (= de einddruk) lager maakt.

4.

Waarom moet de aanduiding ‘va’ (= vertraagd afvallend) beslist aanwezig zijn bij een uitschakelvertraging?

Volgordeschakeling met tijdvertraging In een volgordeschakeling worden de commando;s gegeven door de signaalgevers.

Hierdoor ontstaat een 'harde' schakeling: een commando kan pas worden gegeven als het vorige is uitgevoerd. Door de standmelders te verbinden met tijdschakelingen, meestal inschakelvertragingen, kun je een zuiger een bepaalde tijd wat langer uit of in houden.

Verschuifinstallatie Werking De in de afbeelding 'Verschuifinstallatie' getekende cilinder K duwt, nadat je de knop van schakelaar S hebt ingedrukt, een bak in een ruimte. De inhoud van de bak wordt hier met een steeds brandende infraroodlamp verhit. Na 30 seconden trekt de cilinder de bak weer terug.

De eenvoudigste oplossing is om een uitschakelvertraging te gebruiken zoals in de afbeelding elektrische uitschakelvertraging. Maar als de zuigerstang door een of andere oorzaak niet helemaal uitgaat, gaat deze toch na de ingestelde tijd weer in, ook al zijn de producten in de bak niet onder de lamp geweest.

Door gebruik te maken van een volgordeschakeling waarin je standmelder 'k1' het tijdrelais laat starten, weet je zeker dat de bak 30 seconden in de ruimte is geweest.

118

Tijdschakelingen

Verschuifinstallatie

Bewegingsdiagram en formules Hieronder zie je het bewegingsdiagram.

Let wel: dit is géén WST-diagram, de tijd is niet op schaal getekend en het is een ontwerptekening, geen verklaring van de werking! Het tijdrelais T0 teken je als een rechthoekig blok gedurende de tijd dat K uit moet blijven. In tegenstelling tot cilinders gebruik je voor het opstellen van de controlegetallen niet T0 maar het signaal t0. Signaal t0 aanwezig = 2, signaal t0 afwezig = 0. Er blijken na optelling van de getallen geen identieke situaties te zijn.

In het signalendiagram is er vóór elke faselijn één primair signaal en ná elke faselijn een afvallend signaal. In het signalendiagram is het signaal t0 nog een keer getekend.

Het gedeelte boven de lijn betekent: t0 is aanwezig, t0 = 1; onder de lijn: t0 is afwezig, t = 1.

0 Hier moet je wat de lengte van

Bewegingsdiagram van verschuifinstallatie

commando T0+ betreft wat 'vooruit denken'.

De formule voor T0+ luidt: k1 = T0+. Het signaal t0 = 1 verdwijnt als de zuiger van K ingaat, dus als 'k1' wordt losgelaten. Voor K+ wordt de formule: start × k0 = K+. Voor K-: t0 = K-.

Het commando voor T0 houdt dus op als de zuiger van K bezig is met zijn ingaande slag.

© Kenteq

119

Stroomkringschema In het stroomkringschema zijn twee ventielspoelen opgenomen. Het hoofdstuurventiel van K is bistabiel. In het logische schema zie je daarom ook twee versterkersymbolen.

Het bijbehorende pneumatische schema is niet getekend.

Stroomkringschema

Logisch schema

Schema's voor verschuifinstallatie

Men besluit nu om de schakeling uit te breiden, zie 'Schema's voor de uitgebreide schakeling'.

Als je de bak verkeerd plaatst bestaat de kans dat de uitgaande zuigerstang blijft 'hangen', zodat de bak bijvoorbeeld ontoelaatbaar lang of voor de helft in de verwarmde ruimte verblijft. Voor deze situatie moet een alarm en een beveiliging worden aangebracht.

Als 'k0' langer dan een minuut onbediend is moet een alarm afgaan. Dit is in het schema een claxon C. Ook moet dan het commando

K − = 1 worden.

De formules zijn: . k = T + ; t + t = K − en t = C + 0 1 0 1 1 De formule voor K+ blijft hetzelfde. Als de zuigerstang van K langer dan een minuut uit is, dus 'k0' onbediend is, sluit het contact t1. Omdat je signaal t1 twee keer nodig hebt gebruik je een relais RT1. Na 60 seconden sluiten de relaiscontacten in de stroomtakken 5 en 7. Als 'k0' binnen de minuut weer bediend wordt komt er geen alarm en geen commando K- via t1. Je ziet dat het ook mogelijk is om een tijdrelais via een verbreekcontact te bedienen.

120

Tijdschakelingen

Stroomkringschema

Logisch schema Schema's voor uitgebreide schakeling

5.

Š Kenteq

Wat A. B. C. D.

is een ‘harde’ schakeling?

Een commando kan pas worden Een commando kan pas worden Een commando kan pas worden Een commando kan pas worden voorbij is gegaan.

gegeven gegeven gegeven gegeven

als als als als

het vorige is uitgevoerd. het vorige is ingezet. het vorige bezig is. en een bepaalde tijd

121

6.5

Samenvatting • Je verkrijgt een pneumatische tijdvertraging als je een reservoir via een smoring belucht of ontlucht. De langzaam stijgende of afnemende druk schakelt na enige tijd een ventiel.

• Een inschakelvertraging krijg je als je een reservoir via een smoring belucht.

• Een uitschakelvertraging krijg je als je een reservoir via een smoring ontlucht.

• De 1.

2.

3.

vertragingstijd hangt af van drie factoren: de inhoud van het reservoir de instelling van de smoring de voedingsdruk.

• De inschakelvertraging neemt toe als je de voedingsdruk van een pneumatische tijdschakeling kleiner maakt.

• Een uitschakelvertraging wordt kleiner bij verlaging van de voedingsdruk.

De nauwkeurigheid van pneumatische tijdschakelingen is circa 10%.

• Elektrische tijdschakelingen maak je met behulp van een uurwerk of een motortje met een schakelaar, met elektronische schakelingen of met tijdrelais.

• Aan het symbool van een tijdrelais is een rechthoekig blokje getekend: – als er een kruis in staat is het een inschakelvertraging – als het zwart is, is het een uitschakelvertraging – de tijdcontacten zijn in het schema voorzien van een 'parachute'.

• Elektrische tijdvertragingen zijn over het algemeen erg nauwkeurig.

• Je hebt minimaal twee formules nodig om een tijdschakeling weer te geven: – een formule voor het bedienen van de spoel van het relais; dit is de formule voor Tn+; –

een formule met het signaal tn en de te bedienen uitgang.

• Als het een uitschakelvertraging betreft zet je achter de formule voor Tn+: (va = x sec).

• In het logisch schema zet je de vertragingstijd links (inschakelvertraging) of rechts (uitschakelvertraging) in het 'tijdblokje'.

• Bij een volgordeschakeling met tijdvertraging teken je voor Tn een rechthoekig blok bij de bewegingslijnen.

• De signaallijn voor 'tn' teken je twee keer: één keer bij de bewegingslijnen om de controlegetallen te kunnen bepalen en één keer bij het signalendiagram.

• Het signaal tn is steeds het primaire signaal bij beëindigen van de 'rustperiode'.

122

Tijdschakelingen

6.6

Antwoorden Antwoord 1 Met een bewegingsdiagram ontwerp je schakelingen. Met een signaaltijddiagram verklaar je de werking van een schakeling.

Antwoord 2 Niet waar. De vertragingstijd stel je in met de smoring. Draai je deze verder dicht, dan wordt de vertragingstijd groter.

Antwoord 3 Waar. De uitschakelvertraging wordt, in tegenstelling met de inschakelvertraging, kleiner als je de voedingsdruk (= de einddruk) lager maakt.

Antwoord 4 Omdat je anders niet weet of je met een in- of een uitschakelvertraging te maken hebt. Stilzwijgend neem je aan dat het een inschakelvertraging is als er niets bij staat.

Antwoord 5 Het juiste antwoord is A. Een commando kan pas worden gegeven als het vorige is uitgevoerd.

Š Kenteq

123

124

Tijdschakelingen

7 Alternatieve energievoorziening Inleiding Alternatieve energie is elektrische energie die niet wordt opgewekt in kolen-, olie-, gas- of kerncentrales.

De energiebronnen voor alternatieve energie zijn wind, zonlicht, waterkracht, aardwarmte en biomassa.

Alternatieve energie is ook bekend als ‘groene stroom’.

Deze wordt opgewekt door: • windmolens • zonnepanelen • waterkrachtcentrales • getijdencentrales • thermische centrales gestookt met biomassa • geothermische centrales.

Generatoreenheid in een elektrische centrale.

Leerdoelen Je kunt: • van de volgende energiebronnen vertellen hoe de energie wordt gewonnen: – windenergie – zonne-energie – waterkracht – energie uit biomassa – geothermische energie • na- en voordelen noemen van windenergie en zonne-energie.

© Kenteq

125

7.1

Windenergie Windmolens wekken windenergie op.

Kleinere windmolens hebben een vermogen van ongeveer 200 kW en wekken een gelijkstroom op.

Een tandwielkast drijft een gelijkstroomgenerator aan. Een statische omzetter zet de gelijkstroom om in een driefasen-wisselstroom. Deze stroom wordt aan het openbaar elektriciteitsnet geleverd.

Windmolens

Grotere windmolens kunnen een hoogte hebben van 60 tot meer dan 100 m. De wieken van die molens hebben een diameter van 44 tot 82 m. Het vermogen dat deze grote windmolens kunnen opwekken gaat zelfs tot 2,3 MW. Ze hebben een generator voor driefasen-wisselstroom die via een tandwielkast wordt aangedreven. Deze wisselstroom wordt aan het elektriciteitsnet geleverd. Er zijn plannen om in zee grote windmolenparken aan te leggen.

Voordelen windmolens: • • • •

gratis energie (door de wind) schone energie, geen vervuiling onbeperkt beschikbaar geen uitstoot van broeikasgassen.

Nadelen windmolens: • windmolens zijn duur in aanschaf • als het niet waait, is er geen energie beschikbaar • het vermogen dat één windmolen opwekt is relatief klein (er zijn veel windmolens nodig) • boven windkracht 8 moet je de molen stilzetten • windmolens zijn onderhoudsgevoelig (ze hebben veel onderhoud nodig) • vogels vliegen tegen de wieken aan • windmolens kunnen het landschap ontsieren (horizonvervuiling) • alleen met subsidie is een windmolen rendabel te exploiteren.

126

Inwendige van een molen

Alternatieve energievoorziening

De keuze voor het plaatsen van windmolens is een kwestie van afweging van voor- en nadelen. Er is geen uitstoot van broeikasgassen en dat is goed voor het milieu. Windmolens sparen het milieu want ze stoten geen CO2 (koolstofdioxide) uit.

Windmolenpark

1.

Wat is géén nadeel van windmolens? □ boven windkracht 8 moet je de molen stilzetten □ horizonvervuiling □ uitstoot van CO2 (koolstofdioxide) □ windmolens zijn duur in aanschaf

7.2

Zonne-energie Zonne-energie noem je ook wel fotovoltaïsche energie. Zonnecellen of solarcellen vangen het licht op. De lichtenergie en zonne-energie wordt omgezet in elektrische energie. De cellen wekken een gelijkspanning en -stroom op. Zonne- of solarcellen zijn dunne schijven van zeer zuiver silicium die geschikt zijn gemaakt om licht- en zonneenergie om te zetten in elektrische energie. De schijven zijn ongeveer 12,5 cm bij 12,5 cm, meerdere schijven vormen een zonnepaneel. Eén schijf of cel wekt een spanning op van ongeveer 0,5 V. De grootte van de stroom is afhankelijk van de oppervlakte van de cel en de hoeveelheid licht die erop valt. Bij volle zon wekt de zonnecel een grotere stroom op, dan bij bewolkt weer, maar ook bij bewolkt weer wekt de zonnecel elektrische energie op. Bij de maximale instraling van licht (zon) wekt één cel een stroom op van 4 A, bij een spanning van 0,5 V. Dit is een vermogen van 2 W (4 A x 0,5 V = 2 W). Het rendement van gangbare zonnecellen ligt tussen de 15% en 20%.

© Kenteq

Zonnecel; één cel

Zonnepaneel

127

Om grotere vermogens te krijgen, voeg je meerdere cellen samen tot panelen. Deze panelen noem je ook wel zonnecollectoren. De panelen zijn weerbestendig en voorzien van doorschijnende ramen die de silicium zonnecellen beschermen. Een veel gebruikt paneel of module is een groep van 36 in serie geschakelde cellen, die een spanning van 12 V leveren.

Deze module is goed bruikbaar in combinatie met een accu van 12 V voor de voeding van parkeermeters, praatpalen, lichtboeien enzovoort. Tevens is deze energiebron bijzonder geschikt als energieleverancier op plaatsen waar geen elektriciteitskabels liggen of waarvan de aanleg zeer kostbaar is. Ook bushalten buiten de bebouwde kom kunnen zo worden verlicht. Overdag wordt een accu opgeladen met zonne-energie.

Zonnedak of zonnewand

Praatpaal en drinkbak op zonne-energie

Grotere vermogens Door het parallel en in serie schakelen kun je de gewenste spanning en stroom voor grotere vermogens verkrijgen.

Een statische omzetter zet de gelijkstroom om in driefasenwisselstroom.

Omzetters voor de woning

Hiermee kun je jezelf voorzien in de eigen energiebehoefte van: • woningen • scholen • kantoren.

Energie die over is kun je aan het openbare elektriciteitsnet leveren.

128

Alternatieve energievoorziening

Voordelen zonne-energie: • • • •

energie is gratis (zonlicht) schone energie, geen vervuiling onbeperkt aanwezig geen uitstoot van broeikasgassen.

Nadelen zonne-energie: • laag rendement • grote oppervlakken nodig bij grotere vermogens (ca. 128 W per m2) • duur in aanschaf • zonder subsidie is de terugverdientijd zeer lang.

2.

Waar of niet waar?

I. Zonne-energie noem je ook wel fotovoltaïsche energie.

Het rendement van een zonnecel ligt tussen de 12% en 15%, dit is II. voor een alternatieve energiebron hoog. □ □ □ □

7.3

Alleen I is waar.

Alleen II is waar.

I en II zijn beide waar.

I en II zijn beide niet waar.

Waterkrachtcentrales Waterkrachtcentrales of hydrocentrales zetten de energie van stromend water om in elektrische energie. Het water drijft een waterturbine aan. De waterturbine drijft de generator aan die een driefasenwisselspanning opwekt.

Stuwdammen met waterkrachtcentrales zie je vooral in landen met bergen zoals: • Zwitserland • Oostenrijk • Noorwegen.

Waterkrachtcentrale

Met het water in de stuwdammen wordt elektrische energie opgewekt. Het water valt van grote hoogte naar beneden, dit gaat met een enorme kracht. Deze kracht wordt in de centrale omgezet in energie. Hoe groter de kracht van het water, hoe meer energie de centrale kan opwekken.

In Nederland zijn in de stuwen in de Lek en de Rijn kleine waterkrachtcentrales gebouwd. Gezien het geringe verval (in hoogte) is het opgewekte vermogen klein.

7.4

Getijdencentrales Getijdencentrales zijn ook waterkrachtcentrales. Hierbij wordt het verschil tussen eb en vloed gebruikt om waterturbines aan te drijven. Bij vloed vult een groot bassin zich met zeewater. Bij eb wordt het water door waterturbines geleid, die elektrische generatoren aandrijven. In Frankrijk is een getijdencentrale actief aan de NoordAtlantische kust.

© Kenteq

129

7.5

Energie uit biomassa Biomassa is een vorm van brandstof die uit de natuur voortkomt.

Onder biomassa valt: • houtafval • haksels • snoeihout • stro • bermgras.

Omdat de biomassa groeit in de natuur, is het ook een vorm van zonne-energie. De biomassa wordt verbrand in thermische centrales. De warmte die daarbij vrijkomt wordt omgezet in elektrische energie.

7.6

Geothermische energie Geothermische energie wordt gewonnen uit aardwarmte. Op sommige plaatsen, zoals in IJsland, spuit heet water uit de aarde. Door buizen naar die heetwaterbronnen te boren, kun je deze warmte benutten.

130

Alternatieve energievoorziening

7.7

Samenvatting Je kunt uit water, wind, biomassa en warmte van de aarde energie halen. Door middel van een generator zet je de energie om in elektrische energie. Je hebt de volgende alternatieve energie: • windenergie • zonne-energie • energie uit waterkrachtcentrales • energie uit getijdencentrales (water) • energie uit biomassa • geothermische energie (warmte van de aarde).

Wind- en zonne-energie worden het meeste toegepast in Nederland. De alternatieve energie is milieuvriendelijk, maar niet altijd rendabel.

7.8

Antwoorden Antwoord 1 Uitstoot van CO2 (koolstofdioxide) Antwoord 2 Alleen I is waar.

© Kenteq

131

132

Alternatieve energievoorziening

8 Driefasenschakelingen Inleiding De elektriciteitscentrales wekken alleen maar driefasen wisselspanning op en deze wordt via hoogspanningsleidingen en verdeelstations getransporteerd naar woningen, winkels, kantoren en fabrieken.

Hoogspaningsmast

In bijna alle gevallen wordt elektrische energie getransporteerd via het driefasen wisselspanningsnet. In deze leerstof bekijken we wat er gebeurt als er op een driefasen wisselspanningsnet een belasting wordt aangesloten.

Leerdoelen Je kunt: • aan de hand van een kenplaatje van een driefasen wisselspanningsmotor bepalen of de motor in ster of in driehoek aangesloten moet worden • het opgenomen vermogen berekenen in een symmetrische sterschakeling • het opgenomen vermogen berekenen in een symmetrische driehoekschakeling.

© Kenteq

133

8.1

Belasting van de fasen van een driefasen wisselspanningsnet De driefasen wisselspanninggenerator (ook wel draaistroomgenerator genoemd) voedt via een aantal tussenstations het laagspanningsdistributienet. Dit net kan zijn opgebouwd als een: • Driegeleider driefasen wisselspanningsnet met een lijnspanning van bijvoorbeeld 400 Vb - 50 Hz:

Driegeleider driefasen wisselspanningsnet

• Viergeleider driefasen wisselspanningsnet met een lijnspanning van bijvoorbeeld 400 Vb - 50 Hz en een fasespanning van 230 Vb - 50 Hz:

Viergeleider driefasen wisselspanningsnet

Op een driegeleider driefasen wisselspanningsnet kunnen we een symmetrische belasting zowel in ster als in driehoek aansluiten, omdat we hierbij geen nulleider nodig hebben.

Symmetrische belastingen in ster en in driehoek

134

Driefasenschakelingen

We kunnen dus op dit net driefasen wisselspanningsmotoren (een driefasen wisselspanningsmotor is een symmetrische belasting) zowel in driehoek als in ster aansluiten.

De motorwikkeling en de spoel van een eventueel aanwezige magneetschakelaar moeten, als die in driehoek (dus tussen de lijnen) worden aangesloten, wel geschikt zijn voor de lijnspanning Ul van het desbetreffende driefasen wisselspanningsnet.

De lijnspanning Ul is de spanning tussen L1, L2 en L3 onderling.

Hebben we een driefasen wisselspanningsnet met een lijnspanning van 400 Vb - 50 Hz en staat er bijvoorbeeld op het kenplaatje van de motor: 400 V} of 400/690 V, dan moeten we deze motor in driehoek (aanduiding }) aansluiten.

Hebben we een driefasen wisselspanningsnet met een lijnspanning van 400 Vb - 50 Hz en staat er bijvoorbeeld op het kenplaatje van de motor: 230 V} of 230/400 V, dan moeten we deze motor in ster (aanduiding {) aansluiten.

In beide gevallen geeft dus de eerste cijfergroep de toegekende spanning van de motorwikkeling aan, om ervoor te zorgen dat de motor goed wordt aangesloten en zijn toegekende (nominale) asvermogen afgeeft.

Ook op een viergeleider driefasen wisselspanningsnet kunnen we een belasting zowel in ster als in driehoek aansluiten.

Belasting aangesloten in zowel ster als in driehoek

In afbeelding a. is een driefasen wisselspanningsmotor in ster aangesloten op een driefasen wisselspanningsnet met een lijnspanning Ul = 400 Vb - 50 Hz. De motorfasen van deze motor zijn gewikkeld voor een spanning van 230 Vb - 50 Hz. Vandaar de vermelding van 230 V} op het kenplaatje.

We moeten deze motor dus in ster op dit net aansluiten, want dan staat er op de motorfasen een klemspanning van:

Uf =

Ul 3

=

400 3

= 230 V

In afbeelding b. is een driefasen wisselspanningsmotor in driehoek aangesloten op een driefasen wisselspanningsnet met Ul = 400 Vb - 50 Hz. Š Kenteq

135

De motorfasen zijn bij deze motor gewikkeld voor een spanning van 400 Vb - 50 Hz, vandaar de vermelding van 400 VD op het kenplaatje.

We moeten deze motor dus in driehoek op dit net aansluiten, want dan staat er op de motorfasen een spanning van Ul = 400 V. In afbeelding c. is de aansluiting van een lichtverdeelkast getekend.

De lampen staan hier geschakeld tussen één van de fasen en de nulleider.

De spanning over de lampen bedraagt dan:

Uf =

Ul 3

=

400 3

= 230 V

Opmerking In de praktijk wordt gewerkt met de standaard spanningswaarden 230, 400 en 690 V. Daarbij wordt gesteld dat deze zich verhouden met steeds een factor 3 . Hiermee rekenen we ook, al is dat niet helemaal nauwkeurig.

8.2

Opgenomen vermogen van de belasting bij sterschakeling Het opgenomen vermogen P van een elektrisch verbruikstoestel voor wisselspanning berekenen we met de formule:

P = U·I·cos j = I2·R·cos j P = werkelijk vermogen in watt (W) U = spanning in volt (V) I = stroomsterkte in ampère (A) cos j = arbeidsfactor (getal tussen 0 en 1) R = ohmse weerstand in ohm (W) Bij belasting in ster kunnen we twee gevallen onderscheiden: • De fasen zijn symmetrisch belast.

• De fasen zijn asymmetrisch belast.

Dat het net symmetrisch is belast wil zeggen dat de belastingen van de drie fasen gelijk zijn.

Symmetrisch in ster belast driefasen wisselspanningsnet

136

Driefasenschakelingen

Opmerking In dit leerstofdeel bekijken we alleen driefasen wisselspanningsnetten die symmetrisch en zuiver ohms zijn belast. Dus cos j = 1.

Bekijken we één fase, dan blijkt dat daarin een weerstand staat met een spanning erover (de fasespanning Uf) en een stroom erdoor (If).

Per fase kunnen we dus het vermogen uitrekenen: P = Uf·If In een driefasenschakeling zien we dat echter 3 keer. In de andere twee fasen is de situatie precies hetzelfde. Daarom geldt:

P = 3·Uf·If

P = werkelijk vermogen in watt (W) Uf = fasespanning in volt (V) If = sterkte van de fasestroom in ampère (A) Met deze formule kunnen we het vermogen berekenen als de fasestroom en fasespanning bekend zijn. Soms zijn echter de lijnspanning en lijnstroom bekend en is het handig om deze te gebruiken. Omzetten kan met enkele formules..

Voor een sterschakeling geldt: If = Il

en

Ul

Uf =

3

Ook geldt altijd: 3=

3 ×

3

Als we dit invullen in P = 3·Uf·If, dan krijgen we:

P =

Ul

Als we

3

·Il· 3· 3 3 in de noemer wegstrepen tegen één keer

3 in de teller, dan volgt daaruit:

P = Ul·Il· 3

P = werkelijk vermogen in watt (W) Ul = lijnsspanning in volt (V) Il = sterkte van de lijnstroom in ampère (A) Voorbeeld Gegeven Een elektrische oven bevat drie gelijke elementen, elk 4,6 kW en geschikt voor een spanning van 230 Vb - 50 Hz, cos j = 1.

© Kenteq

137

Deze elementen worden in ster aangesloten op een viergeleider driefasen wisselspanningsnet van 3Nb 400 V - 50 Hz. Gevraagd a. b. c. d.

De fasestroom.

De lijnstroom.

De ohmse weerstand van een verwarmingselement van deze elektrische oven.

Het totaal door de elektrische oven opgenomen vermogen als de verliezen mogen worden verwaarloosd.

Oplossing a. If =

Pf 4.600 = = 20 A 230 × 1 Uf ·cos j

b. Il = If = 20 A c. R = Uf = 230 = 11,5 W 20 If d. P = 3·Pf = 3 × 4.600 = 13.800 W Controle:

P = Ul × Il × 3 = 400 × 20 × 3 = 690 × 20 = 13.800 W

138

Driefasenschakelingen

Voorbeeld Gegeven

viergeleider driefasen wisselspanningsnet in ster belast

3Nb 400 V - 50 Hz. R = 46 W. Gevraagd a. If b. Il c. IN d. Pf e. P Oplossing a.

Uf =

If =

Ul 3

=

400 3

= 230 V

Uf 230 = =5A 46 R

b. Il = If = 5 A c. IN = 0 A d. Pf = Uf·If = 230 × 5 = 1.150 W

of:

Pf = If2 ·R = 52 × 46 = 1.150 W e. P = 3·Pf = 3 × 1.150 = 3.450 W

P = Ul × Il ×

© Kenteq

3 = 400 × 5 ×

of:

3 = 690 × 5 = 3.450 W

139

Opmerking De verhouding tussen de spanningswaarden 230, 400 en 690 V en de spanningswaarden 24 en 42 V is niet exact steeds 3 . Toch wordt er feitelijk altijd met deze spanningen gerekend.

1.

Gegeven Het schema.

Viergeleider driefasen wisselspanningsnet in ster belast

Gevraagd a. If

b. Il

c. R

d. P

140

Driefasenschakelingen

2.

Gegeven Een elektrische oven bevat drie in ster geschakelde verwarmingselementen, elk met een ohmse weerstand van 12 W. De oven is aangesloten op een viergeleider driefasen wisselspanningsnet 3Nb 400 V - 50 Hz. Gevraagd Bereken het opgenomen vermogen van deze oven.

3.

Gegeven Drie weerstanden van elk 100 W zijn in ster aangesloten op een viergeleider driefasen wisselspanningsnet 3Nb 400 V - 50 Hz. Gevraagd Bereken de opgenomen lijnstroom.

4.

Gegeven Een elektrische oven bevat drie in ster geschakelde verwarmingselementen, elk met een vermogen van 500 W. De oven is aangesloten op een driegeleider driefasen wisselspanningsnet 3b 400 V - 50 Hz. Gevraagd a. Bereken de opgenomen lijnstroom.

b. Bereken de ohmse weerstand van een element als cos j = 1.

Š Kenteq

141

5.

Gegeven Drie gelijke elektrische verbruikstoestellen zijn in ster aangesloten op een viergeleider driefasen wisselspanningsnet 3Nb 690 V - 50 Hz. Elk verbruikstoestel neemt een stroom op van 5 A. Cos j = 1.

Gevraagd a. Bereken de fasespanning van dit driefasen wisselspanningsnet.

b. Bereken het totaal opgenomen vermogen door deze verbruikstoestellen.

6.

Gegeven Op een viergeleider driefasen wisselspanningsnet 3Nb 42/24 V - 50 Hz wordt aangesloten: • Tussen L1 en N: een lamp van 24 V - 60 W. • Tussen L2 en N: een lamp van 24 V - 60 W. • Tussen L3 en N: een lamp van 24 V - 60 W. Gevraagd a. De ohmse weerstand van de gloeilampen.

b. De lijnstromen.

c. IN.

142

Driefasenschakelingen

8.3

Opgenomen vermogen van de belasting bij driehoekschakeling Bij de belasting in driehoek kunnen we twee gevallen onderscheiden: De fasen zijn symmetrisch belast.

1.

2.

De fasen zijn asymmetrisch belast.

Opmerking In deze leerstof bekijken we alleen driefasen wisselspanningsnetten die symmetrisch en zuiver ohms zijn belast.

Driegeleider driefasen wisselspanningsnet in driehoek belast

Dat het net symmetrisch is belast wil zeggen dat de belastingen van de drie fasen gelijk zijn.

Bekijken we één fase, dan blijkt dat daar een weerstand in staat met een spanning erover (de fasespanning Uf) en een stroom erdoor (de fasestroom If).

Per fase kunnen we dus het vermogen uitrekenen: P = Uf·If Drie gelijke weerstanden (symmetrische belasting) in driehoek

In een driefasenschakeling gebeurt dat echter 3 keer. In de andere twee fasen gebeurt precies hetzelfde. Daarom geldt:

P = 3·Uf·If P = werkelijk vermogen in watt (W) Uf = fasespanning in volt (V) If = sterkte van de fasestroom in ampère (A) Met deze formule kunnen we het vermogen berekenen als de fasestroom en fasespanning bekend zijn. Soms zijn echter de lijnspanning en lijnstroom bekend en is het handig om deze te gebruiken.

© Kenteq

143

Omzetten kan met enkele formules.

Voor een driehoekschakeling geldt: Uf = Ul

en:

Il

If =

3

Ook geldt altijd: 3=

3 ×

3

Als we dit invullen in P = 3·Uf·If, dan krijgen we:

P = Ul × Als we

Il 3

×

3 ×

3

3 in de noemer wegstrepen tegen één keer

3 in de teller, dan volgt daaruit:

P = Ul·Il· 3 P = werkelijk vermogen in watt (W) Ul = lijnsspanning in volt (V) Il = sterkte van de lijnstroom in ampère (A) Opmerking Merk op dat het niet uitmaakt of je met een sterschakeling of met een driehoekschakeling te maken hebt. We kunnen beide formules toepassen, zowel bij ster- als bij driehoekschakelingen!

Nog even op een rijtje: Voor zowel een symmetrisch belaste ster- als driehoekschakelingen geldt:

P = Ul·Il· 3 P = 3·Uf·If

144

Driefasenschakelingen

Voorbeeld Gegeven Een elektrische oven bevat drie gelijke verwarmingselementen, elk met een ohmse weerstand van 23 W. De verwarmingselementen zijn geschikt voor een spanning van 400 Vb - 50 Hz. De oven wordt aangesloten op een driegeleider driefasen wisselspanningsnet 3b 400 V - 50 Hz. Gevraagd a. b. c. d. e.

De spanning per verwarmingselement bij sterschakeling.

Het opgenomen vermogen bij sterschakeling van de verwarmingselementen.

De spanning per verwarmingselement bij driehoekschakeling.

Het opgenomen vermogen bij driehoekschakeling van de verwarmingselementen.

De verhouding van de lijnstromen bij ster- en driehoekschakeling van de verwarmingselementen. f. De verhouding van het opgenomen vermogen bij ster- en driehoekschakeling van de verwarmingselementen.

Oplossing a.

b.

Uf = If =

Ul 3

=

400 3

= 230 V

Uf 230 = = 10 A = Il 23 R

P = Ul·Il· 3 = 400 × 10 ×

3 = 690 × 10 = 6.900 W

c. Uf = Ul = 400 V d.

If =

Ul 400 230 3 = = = 10 3 A = 17,3 A 23 23 R

Il = If ×

3 = 10 3 ×

3 = 30 A

PD = Ul·Il· 3 = 400 × 30 × e. I 10 1 l{ = = 30 3 Il} f.

of:

P{ 6.900 1 = = 20.700 3 P}

3 = 690 × 30 = 20.700 W

Il{ = of:

1 ·Il 3 }

P{ =

of:

1 ·P 3 }

Il} =3·Il{ of:

P} = 3·P{

Opmerking In dit voorbeeld zien we dat we het opgenomen vermogen van een belasting in driehoek door deze op hetzelfde driefasennet in ster aan te sluiten naar 1 3 terugbrengen.

© Kenteq

145

Een praktische toepassing hiervan is de sterdriehoekschakelaar bij het laten aanlopen van driefasen wisselspanningsmotoren met kortsluitanker. Is de aanloopstroom bij directe aanloop bijvoorbeeld 6·Inom, dan is de aanloopstroom bij sterdriehoek aanloop gelijk aan: Iaanloop = 1 × 6·Inom = 2·Inom 3 Voorbeeld Gegeven

Driegeleider driefasen wisselspanningsnet in driehoek belast

3b 400 V - 50 Hz, R = 40 W. Gevraagd a. If b. Il c. Pf d. P Oplossing a.

b.

If =

Ul 400 = = 10 A 40 R

Il = If · 3 = 17,32 A

c. P = U ·I = 400 × 10 = 4.000 W f f f

of:

Pf = If2 ·R = 102 × 40 = 4.000 W d. P = 3·P = 3 × 4.000 = 12.000 W f

P = Ul·Il· 3 = 400 × 10 3 ×

146

of:

3 = 400 × 30 = 12.000 W

Driefasenschakelingen

7.

Gegeven Een elektrisch driefasenfornuis heeft een aansluitwaarde van 9 kW. Dit fornuis moet in ster worden aangesloten op een viergeleider driefasen wisselspanningsnet 3Nb 400 V - 50 Hz. Een monteur sluit het fornuis per ongeluk in driehoek op het driefasen wisselspanningsnet aan.

Gevraagd Welk vermogen neemt het fornuis nu uit het net op?

8.

Gegeven Drie ohmse weerstanden van elk 100 W worden aangesloten op een viergeleider driefasen wisselspanningsnet 3Nb 400 V - 50 Hz. Gevraagd a. De lijnstroom bij sterschakeling.

b. De lijnstroom bij driehoekschakeling.

Š Kenteq

147

9.

Gegeven Drie ohmse weerstanden van elk 304 W worden aangesloten op een viergeleider driefasen wisselspanningsnet 3Nb 400 V - 50 Hz. Gevraagd Bereken het opgenomen vermogen als de weerstanden: a. in ster zijn geschakeld.

b. in driehoek zijn geschakeld.

10.

Gegeven Een elektrisch fornuis is aangesloten op een viergeleider driefasen wisselspanningsnet 3Nb 400 V - 50 Hz, cos j = 1.

De opgenomen lijnstroom is 3 A. Gevraagd Hoe groot is het opgenomen vermogen van het fornuis?

11.

Gegeven Een elektrische kachel heeft drie gelijke verwarmingselementen die in driehoek zijn geschakeld. De kachel wordt aangesloten op een viergeleider driefasen wisselspanningsnet 3Nb 400 V - 50 Hz, cos j = 1.

Elk verwarmingselement neemt een stroom op van 12 A. Gevraagd Hoe groot is het opgenomen vermogen van de kachel?

148

Driefasenschakelingen

12.

Gegeven R1 = R2 = R3 = 2,2 kW. Gevraagd Hoe groot is het totaal uit het net opgenomen vermogen ongeveer?

A. B. C. D.

13.

41 W 73 W 125 W 218 W

Belast driegeleider driefasen wisselspanningsnet

Gegeven Drie gelijke verwarmingselementen zijn aangesloten op de juiste spanning volgens de getekende schakeling. Het totaal opgenomen vermogen van deze schakeling is 690 W Gevraagd Wat staat er dan op elk element vermeld?

A. B. C. D.

14.

230 230 400 400

V V V V

-

230 400 230 400

W W W W

Belast driegeleider driefasen wisselspanningsnet

Gegeven Op een driefasennet 400/230 Vb is een oven van 7.500 W in ster aangesloten.

Gevraagd Hoe sterk is de fasestroom ongeveer?

A. B. C. D.

Š Kenteq

6,3 A 10,8 A 18,8 A 19,7 A

149

15.

Gegeven

Belast viergeleider driefasen wisselspanningsnet

R1 = R2 = R3 = R4 = 50 W. Gevraagd Treedt er verandering op van de meteraanwijzingen, na het openen van schakelaar S?

16.

P1

P2

A.

niet

niet

B.

niet

wel

C.

wel

niet

D.

wel

wel

Gegeven

Belast driegeleider driefasen wisselspanningsnet

R1 = R2 = R3 = 20 W. Gevraagd Hoe groot is de aanwijzing van de ampèremeter?

150

A.

10 3

A

B.

10 A

C.

20 A

D.

20 3 A

Driefasenschakelingen

17.

Gegeven

Twee belaste driegeleider driefasen wisselspanningsnetten

Alle weerstanden R zijn 470 W. Gevraagd Hoe verhouden zich de stromen I1 en I2 ?

18.

A.

I1 : I2 = 1 :

B.

I1 : I2 = 1 : 3

C.

I1 : I2 =

D.

I1 : I2 = 3 : 1

3

3 :1

Gegeven Een toestel met een vermogen van 1.385 W is op een viergeleidernet aangesloten. De netspanning is 400/230 Vb. De belasting is gelijkmatig verdeeld.

Gevraagd Hoe sterk is de lijnstroom?

19.

A.

0,87 A

B.

1,15 A

C.

1,5 A

D.

2A

Gegeven I1 = 2,86 A. De lampen H zijn gelijk.

Gevraagd Hoe groot is het totaal opgenomen vermogen ongeveer?

A. B. C. D.

Š Kenteq

690 W 1.140 W 1.980 W 3.420 W

Belast driegeleider driefasen wisselspanningsnet

151

20.

Gegeven

Belast viergeleider driefasen wisselspanningsnet

R1 = R2 = R3 = R4 = 200 W. Gevraagd Hoe groot is de klemspanning over R4?

A. B. C. D.

21.

0V 127 V 230 V 400 V

Gegeven Drie verwarmingselementen worden in ster aangesloten op een net van 3Nb 400 V - 50 Hz. Het opgenomen vermogen is dan 6.900 W. Gevraagd Wat geldt voor de de volgende beweringen?

Als deze elementen in driehoek op hetzelfde net worden aangesloten, dan wordt: I. de stroom in ieder element drie keer zo sterk.

II. het totaal opgenomen vermogen 3 keer zo groot.

A. B. C. D.

152

Alleen bewering I is juist.

Alleen bewering II is juist.

Bewering I en II zijn beide juist. bewering I en II zijn beide onjuist.

Driefasenschakelingen

22.

Gegeven R1 = R2 = R3 = 230 W. De wattmeter wijst het totale vermogen aan dat de belasting opneemt.

Gevraagd Hoe groot is de aanwijzing van de wattmeter?

A. B. C. D.

23.

Belast driegeleider driefasen wisselspanningsnet

230 W 400 W 690 W 1.140 W

Gegeven De lampen zijn gelijk en branden op de juiste spanning. De voltmeter wijst 230 V aan en de ampèremeter wijst 753 mA aan.

Gevraagd Hoe groot is het totaal opgenomen vermogen ongeveer?

A. B. C. D.

24.

100 173 300 520

W W W W

Belast driegeleider driefasen wisselspanningsnet

Gegeven R1 = R2 = R3 = 20 3 kW. Gevraagd Hoe groot is de aanwijzing van de ampèremeter ongeveer?

A. B. C. D.

© Kenteq

6 mA 11,5 mA 20 mA 34 mA

Belast driegeleider driefasen wisselspanningsnet

153

8.4

Samenvatting • Het laagspanningsnet kan bestaan uit een: – driegeleider driefasen-wisselstroomnet met een lijnspanning van bijvoorbeeld 400 V - 50 Hz, aanduiding: 3N 400 V~ 50 Hz – viergeleider driefasen-wisselstroomnet met een lijnspanning van bijvoorbeeld 400 V - 50 Hz en een fasespanning van 230 Vb - 50 Hz, aanduiding: 3N 400 V~ 50 Hz. • De belasting kun je aansluiten in ster, aanduiding {.

164477

Belasting aangesloten in ster

• Zijn de fasen symmetrisch en zuiver ohms belast, dan geldt:

Il = If Ul = Uf · 3 If =

Uf = Il R

Pf = Uf ·If = If2 ·R P = 3·Pf = Ul·Il· 3 = 3·If2 ·R IN = 0 A cos j = 1 • De belasting kan ook worden aangesloten in driehoek. Aanduiding: }.

154

Driefasenschakelingen

Driegeleider driefasen wisselspanningsnet symmetrisch in driehoek belast

• Zijn de fasen symmetrisch en zuiver ohms belast, dan geldt:

Il = If · 3 Ul = Uf If =

Ul R

Pf = Uf ·If = Ul·If = If2 ·R P = 3·Pf = Ul·Il· 3 = 3·If2 ·R cos j = 1 • Sluiten we een symmetrische belasting eerst in ster ({) daarna in driehoek (}) aan op hetzelfde driefasennet dan geldt:

Il{ =

© Kenteq

1 ·Il 3 }

en:

P{ =

1 ·P 3 }

155

8.5

Antwoorden Antwoord 1 a. If = 0,65 A b. Il = 0,65 A c. R = 352,67 W d. P = 450 W Antwoord 2 P = 13.225 W Antwoord 3 Il = 2,3 A Antwoord 4 a. Il = 2,17 A b. R = 105,8 W Antwoord 5 a. Uf = 400 V b. P = 6.000 W Antwoord 6 a. R = 9,6 W b. Il = 2,5 A c. IN = 0 A Antwoord 7 P = 27 kW Antwoord 8 a. Il = 2,3 A b. Il = 6,9 A Antwoord 9 a. P = 522 W b. P = 1.566 W Antwoord 10 P = 2.070 W Antwoord 11 P = 24.941,5 W

156

Driefasenschakelingen

Antwoord 12 D. Antwoord 13 A. Antwoord 14 B. Antwoord 15 A. Antwoord 16 C. Antwoord 17 C. Antwoord 18 D. Antwoord 19 C. Antwoord 20 A. Antwoord 21 D. Antwoord 22 C. Antwoord 23 C. Antwoord 24 C.

© Kenteq

157

158

Driefasenschakelingen

9 De PLC in besturingsinstallaties

Inleiding Procesautomatisering is het besturen, regelen en bewaken van processen met besturings- en regelapparatuur volgens vooraf ingestelde programma's.

Procesbesturing is het besturen of regelen van een proces of van een deel van een proces. Het doel hiervan is het aantal menselijke handelingen in het proces zo klein mogelijk te maken.

Hierdoor kun je bijvoorbeeld een betere productkwaliteit bereiken of besparen op arbeidskosten. De besturing die je hiervoor moet programmeren, noem je een Programmable Logic Controller of kortweg PLC. Je leert over procesautomatisering en de PLC.

Modulaire industriele PLC

Leerdoelen Je • • • • • • •

© Kenteq

kunt: uitleggen wat procesautomatisering is uitleggen wat procesbesturing is uitleggen wat een PLC is uitleggen wat een modulair PLC-systeem is benoemen uit welke onderdelen een PLC bestaat de functies van de onderdelen van een PLC beschrijven storingen in een PLC-systeem lokaliseren en verhelpen.

159

9.1

Toepassing PLC’s Een PLC is toepasbaar in vrijwel alle machines. Niet alleen kan de PLC een bepaalde actievolgorde hanteren, maar ook reageren op het product van de machine of op de omgeving. De PLC kan dat bovendien vaak sneller en preciezer dan een mens. Daar komt bij dat een PLC 24 uur per dag kan werken en dat 7 dagen per week. Het grote voordeel is dat het programma van de PLC gemakkelijk aangepast kan worden waardoor het systeem erg flexibel is.

Een PLC is eigenlijk een speciale computer die bedoeld is om machines te besturen.

Daarom moet een PLC ook beter beschermd worden dan een gewone computer tegen stof, trillingen (geluid), hoge- en lage temperaturen, vocht enzovoort. Een PLC vormt een onlosmakelijk onderdeel van de machine die wordt bestuurd. Uitval zorgt ervoor dat de hele machine niet meer werkt. Je komt PLC's tegen in vrijwel alle bedrijven die gebruikmaken van machines voor het vervaardigen van hun producten.

Procesautomatisering Procesautomatisering betekent het via vastgestelde handelingen creëren van een product of het verrichten van een dienst.

Concreter geformuleerd: Het besturen, regelen en bewaken van processen door besturings- en regelapparatuur volgens vooraf ingebrachte programma’s.

Enkele voorbeelden van processen uit het dagelijks leven zijn: • brouwen van bier • regelen van de verkeersstroom door verkeerslichten • automatisch routeren van telefoonverkeer • besturen van een autowasstraat.

Ook eenvoudige dingen kun je een proces noemen, denk bijvoorbeeld aan: • koffie zetten • openen en sluiten van een deur • kamertemperatuur regelen • inschakelen van de tv.

In de afbeelding is schematisch een proces weergegeven.

Een proces kan geautomatiseerd of nietgeautomatiseerd zijn.

Schematische weergave van een proces

Geautomatiseerd proces Bij een geautomatiseerd proces is de mens vervangen door besturings- en regelapparatuur. De mens heeft bij dit proces alleen een op afstand toezichthoudende taak. Hij mag ingrijpen in afwijkende processituaties waarin de besturing niet voorziet.

160

De PLC in besturingsinstallaties

Het schema 'Relatie mens-besturingproces' maakt het een en ander duidelijk.

De besturing kent hierbij twee verbindingslijnen. De ene lijn levert de informatie voor de besturing uit het proces. De andere lijn geeft commando’s of opdrachten aan het proces. De mens in deze heeft zowel toegang tot het proces als tot de besturing.

Relatie mens-besturing-proces

Niet-geautomatiseerd proces Bij een niet-geautomatiseerd proces is de mens een onmisbare schakel. Hier verkrijgt de mens op basis van waarnemingen informatie over het proces en kan hij ingrijpen in het proces. Hij kan zelfs de procesvoortgang veranderen.

Er kunnen verschillende redenen zijn om een processen te willen automatiseren: • Snelheid De reactiesnelheid van een mens is niet constant en relatief traag. Automatisering kan ervoor zorgen dat er altijd, met grote snelheid en nauwkeurigheid wordt gereageerd. De acties zijn via een programma eenduidig vast te leggen.

• Kwaliteit Zelfs de beste technici leveren werk af met een iets wisselende nauwkeurigheid en kwaliteit. Automatisering kan zorgen voor een grote precisie en daarmee stabiele kwaliteit.

• Veiligheid Een productieomgeving kan gevaarlijk en ongezond zijn voor de mens. Een continue en geautomatiseerde bewaking van het proces kan extra veiligheid opleveren.

• Arbeid Menselijke arbeid is over het algemeen duur, werknemers kunnen ziek worden, staken of het bedrijf verlaten. Bovendien is eentonig werk en/of werk dat gevaarlijk kan zijn niet aantrekkelijk voor werknemers.

• Kosten.

Niet op de laatste plaats kan automatisering kosten besparen. De eenmalige investering kan snel worden terugverdiend, vooral in combinatie met de hiervoor vermelde factoren.

Procesbesturing Onder procesbesturing wordt verstaan: het besturen, het regelen van een proces of van een deel van een proces. Procesbesturing heeft tot doel om de menselijke handelingen bij de procesvoortgang zo veel mogelijk te beperken. Met andere woorden, de door de mens verrichte besturingsfuncties moeten worden overgenomen.

Hoe deze besturingsfuncties overgenomen kunnen worden, zul je later zien. Eerst volgt een voorbeeld van een procesbesturing.

Bij een bierbrouwerij waar alle processen zijn geautomatiseerd, worden de transportbandsystemen bestuurd door een procesbesturing. Hier is dat meestal een PLC of een computer. © Kenteq

161

Ook zoiets eenvoudigs als het inschakelen van een lamp is een proces. We kunnen dit op twee manieren doen: • handmatig • automatisch via een besturing.

Dit schema geeft aan op welke manier de lamp automatisch in- en uitgeschakeld kan worden.

Voorbeeld van een mogelijkheid om een lamp te schakelen

Principe van een regelkring Een regelkring is een bekend begrip in de meet- en regeltechniek. Veel toepassingen met een PLC maken gebruik van dit principe.

De afbeelding toont het principe van een regelkring weergegeven. Hierin zie je een systeem dat is uitgerust met een regelaar. De regelaar kan het systeem bijsturen. Aan de ingang van de regelaar staat een signaal (de input). In eerste instantie is dat een signaal met een gewenste waarde. Een sensor meet de uitgang van het systeem (de output) en koppelt dat signaal terug naar de ingang.

Principe van een regelkring

Na het vergelijken van het gemeten signaal met het gewenste signaal ontstaat een foutsignaal dat weer wordt aangeboden aan de regelaar. Er kunnen nog invloeden van buitenaf inwerken op het systeem waardoor bijsturing noodzakelijk is.

Voorbeeld Een voorbeeld van deze regelkring is een thermostaat waarmee de centrale verwarming (cv) wordt aangestuurd: • De gewenste waarde is de temperatuur die de bewoner instelt.

• De regelaar is de thermostaat die de cv aan en uit kan schakelen.

• De sensor is de temperatuurmeter die de bestaande temperatuur meet.

• Het verschil tussen de ingestelde waarde en de gemeten waarde resulteert in een foutsignaal dat ervoor zorgt dat de regelaar actie onderneemt.

• Een verstoring van buitenaf kan bijvoorbeeld zijn dat iemand een raam open zet.

162

Thermostaat verwarmingsinstallatie

De PLC in besturingsinstallaties

De regelkring zal proberen de gemeten waarde zo dicht mogelijk bij de ingestelde waarde te krijgen en te houden. Intelligentere thermostaten ‘leren’ van het gedrag van de installatie en gaan daardoor steeds beter regelen.

Besturingsmethoden Om een proces te besturen is in de meeste gevallen een elektronische schakeling nodig. Dat kan een op maat gemaakte besturing zijn die alleen voor die ene taak geschikt is. Vaak werd zo’n schakeling gemaakt met standaard onderdelen. De meeste elektronische componenten kunnen slechts stromen schakelen tot enkele ampère. Met de komst van relais kon men ook grotere stromen schakelen.

Standaard elektronische schakeling

Het is duur en tijdrovend om voor elke situatie een nieuwe schakeling te ontwerpen en te bouwen. In 1968 werd bij General Motors een systeem bedacht om relais te kunnen programmeren. Daarmee werd het aanpassen van een schakeling veel eenvoudiger.

Dit was een voorloper van de moderne PLC.

© Kenteq

1.

Wat is het verschil tussen een proces en een systeem?

2.

Waarom is de mens in het besturen van een proces vaak de zwakste schakel?

163

9.2

Wat is een PLC? De eerste versies van de PLC waren niet veel meer dan programmeerbare relais. De sensoren waren voornamelijk schakelaars. Via een programma kon de schakeling reageren op input van buitenaf.De moderne PLC is veel meer dan dat. Het zijn microcomputers met veel soorten programmeerbare in- en uitgangen.

Voor de ingangen zijn allerlei sensoren beschikbaar die externe gebeurtenissen kunnen omzetten naar signalen voor de PLC. Voor de uitgangen zijn er dan de actuatoren die reacties van het PLC-programma weer kunnen omzetten naar acties.

Sensoren zorgen voor de invoer van data en zijn er in alle soorten en maten.

Naast eenvoudige schakelaars zijn er bijvoorbeeld: • temperatuursensoren • druksensoren • aanwezigheidssensoren (bijvoorbeeld via infrarood straling of ultrasoon geluid) • lichtsensoren.

Actuatoren zijn bedoeld om de uitkomst van het PLC-programma om te zetten in acties. Ook hier zijn veel mogelijkheden: • lampen en LED’s • motoren, ook stappenmotoren en servomotoren • verwarmingselementen • ventilatoren • relais of elektronische schakelaars om grotere vermogens te schakelen.

Door de combinatie van intelligentie en allerlei in- en uitvoerapparaten is er voor bijna elke situatie een geschikte PLC. Natuurlijk zijn de PLC’s in de industrie totaal anders dan die voor een kleine huishoudelijke toepassing. Daar worden weer hele andere eisen aan gesteld.

9.3

Opbouw van een PLC Een PLC is een combinatie van hardware en software. De hardware bestaat uit verschillende modulen die samen tot één apparaat gebouwd kunnen worden. De software is voor een deel ingebouwd in de PLC om het systeem te laten werken. Je kunt dat vergelijken met het BIOS en het operating system van de pc. Vervolgens kan de gebruiker een eigen programma (applicatie) in de PLC zetten. Daarbij kan het programma gebruik maken van ingebouwde functies van de PLC, zoals timers, counters, beslislogica en natuurlijk alle aanwezige sensoren en actuatoren.

In afbeelding 'Blokschema PLC' is de positie van de PLC bij de machine weergeven.

Hierin zie je drie onderdelen: • de programmeereenheid (rood) • de PLC (groen) • de machine zelf met sensoren en actuatoren (geel).

Deze onderdelen zullen we in meer detail gaan beschrijven.

164

De PLC in besturingsinstallaties

Blokschema PLC

Voorbeeld Om een en ander wat te verduidelijken, volgt hier een voorbeeld van een systeem dat wordt geregeld met een PLC. Het systeem is een tank met een pomp waarmee water in de tank wordt gepompt en kleppen om de tank de legen. Als het water een bepaald niveau bereikt, moet er een klep worden geopend zodat het water kan wegstromen.

Het gehele proces wordt geregeld door een PLC. Deze PLC kan de pomp besturen, het waterniveau meten en wanneer nodig de klep openen om het water te laten wegstromen. De sensor is hier de ultrasonische niveaumeter. De actuatoren zijn de pomp en de uitstroomklep.

Š Kenteq

165

Proces geregeld met een PLC

Programmeren Het programma van de PLC wordt met een programmeerapparaat gemaakt en in de PLC geplaatst. Een kleine PLC kun je programmeren via een kleine handterminal. Door de omvang met een klein scherm en toetsenbord, zijn de mogelijkheden echter beperkt. Steeds vaker worden PLC’s via een laptop of pc geprogrammeerd. Daarvoor is een speciaal softwarepakket nodig. Tevens is een interface nodig om de computer aan de PLC te koppelen.

Programmeereenheid

Programmeermethoden Er zijn verschillende methoden om een PLC te programmeren. Die methoden zijn alle vastgelegd in de IEC 61131-3 standaard: • Sequential Function Chart (SFC), een grafische programmeertaal gebaseerd op stappen en transities (overgangen naar een volgende stap).

• Ladder Diagram (LD), een visuele methode waarbij het schema lijkt op een ladder.

• Function Block Diagram (FBD), ook een grafische methode waarbij telkens de functie tussen input en output wordt gedefinieerd. Elke functie bestaat uit een aantal blokken.

• Structured Text (ST), een op tekst gebaseerde programmeermethode met statements in een hogere programmeertaal die lijkt op Basic, C of Pascal

166

De PLC in besturingsinstallaties

• Instruction List (IL), ook een op tekst gebaseerde programmeermethode met een code (operator) en data (operand). Elke instructie wordt op een eigen regel geschreven.

Het programmeren van een PLC is een vak op zich. Het is meestal niet belangrijk welke programmeermethode wordt gebruikt om de PLC te programmeren. Dat is vooral een kwestie van voorkeur, want het resultaat zal hetzelfde zijn.

9.4

Onderdelen van een PLC Een moderne PLC is modulair opgebouwd. Dat wil zeggen dat er verschillende componenten zijn die samengebouwd kunnen worden tot één apparaat. Daardoor kan de gebruiker kiezen welke modulen in een bepaalde situatie nodig zijn.

Basis De basis van een PLC-systeem is het rek (rack) waar je de modulen op kunt plaatsen. Sommige van deze rekken beschikken over een bussysteem waardoor alle modulen zonder kabels van spanning voorzien worden.

Montage van PLC-modulen op een rek

Voeding De voeding of power supply van een PLC zorgt ervoor dat het systeem kan werken.

De voeding zet de netspanning van 230 V (AC of wisselspanning) om in een veel lagere 5 V, 12 V of 24 V (DC of gelijkspanning). Alle andere modulen worden via deze voeding van de juiste spanning voorzien. Afhankelijk van het type PLC kan deze voeding via een bussysteem van het rek of via aparte draden worden doorgevoerd.

Power supply module

Behalve de hoogte van de spanning is ook de maximaal te leveren stroom van belang.

Voor een kleine PLC volstaat 2 tot 10 Ampère (A), voor een groter systeem kan dat wel tot 50 A oplopen. Als de ongestoorde werking van de PLC erg belangrijk is, kan de voeding ook een batterij back-up hebben om in elk geval de kern van de PLC van spanning te blijven voorzien. Met de moderne flash-geheugens is die voorziening niet meer nodig.

© Kenteq

167

Centrale verwerkingseenheid De Centrale Verwerkingseenheid of Central Processing Unit (CPU) is net als bij een computer het brein van het systeem. Dit gedeelte voert het programma van de PLC uit en leest daarmee de sensoren uit en activeert de actuatoren. Als de CPU het programma niet meer kan uitvoeren, stopt de werking van het hele systeem.

CPU module

De CPU heeft een schakelaar waarmee je de zogeheten ‘operating mode’ van de PLC kiest. Bij de meeste PLC’s bestaat die uit keuze uit: • RUN De CPU voert het programma uit dat in het geheugen van de PLC is geladen. In deze modus is er tweerichtingsverkeer van data tussen de programmeereenheid en de PLC. • STOP Zoals de naam al aangeeft stopt de CPU met de uitvoering van het programma.

• MRES In deze modus wordt het programma in het PLC-geheugen volledig gewist.

Bij oudere CPU’s is er een aparte modus (RUN-P) om de PLC te kunnen programmeren.

Soorten geheugen Een PLC gebruikt geheugen om programma’s, gegevens en data van het proces op te slaan. Om goed te kunnen begrijpen hoe dit werkt, is het belangrijk dat je de verschillende soorten geheugens kent.

Random Access Memory (RAM) Dit soort geheugen wordt ook gebruikt in alle pc’s. Het is een geheugen dat snel toegankelijk is, lees-en schrijfbaar is en vluchtig. Een vluchtig geheugen verliest alle data als de spanning eraf gehaald wordt. Met andere woorden: na uitschakelen van het apparaat is dit geheugen leeg.

RAM geheugen van een pc

De term Random Access is ontstaan in een tijd dat er geheugens waren die eerst helemaal uitgelezen moesten worden om tot een bepaalde locatie te komen. Denk bijvoorbeeld aan een magnetische tape. Een Random Access Memory (RAM) heeft geheugenadressen waardoor elke geheugenlocatie rechtstreeks te lezen of te schrijven is. Een RAM is opgebouwd uit chips. De capaciteit varieert van enkele kilobytes tot vele gigabytes.

168

De PLC in besturingsinstallaties

Read Only Memory (ROM) De tegenhanger van RAM is ROM. Dit type geheugen is ook adresseerbaar maar kan alleen gelezen worden. Het is een niet-vluchtig geheugen waardoor de data altijd beschikbaar blijft, ook als de spanning van het geheugen wordt gehaald. Een Read Only Memory (ROM) is een chip die in de fabriek met data is beschreven en niet meer veranderd kan worden. Dat is soms handig, maar aanpassen van een programma kan ook nodig zijn. Om dit te kunnen doen, zijn verschillende soorten soorten ROM's ontwikkeld: • PROM Programmable ROM, lege ROM-chips die met een speciaal programmeerapparaat (eenmalig) beschreven kunnen worden.

• EPROM Erasable Programmable ROM, een chip die gewist kan worden met ultraviolet licht en dan opnieuw beschreven. Bij het wissen wordt de hele geheugenchip gewist en dat proces kan niet oneindig worden herhaald.

• EEPROM Electrically Erasable Programmable ROM kan via elektrische signalen geheel of gedeeltelijk worden gewist en opnieuw beschreven. Dat kan slechts een bepaald aantal malen, EEPROM heeft een beperkte levensduur.

• Flash EEPROM Is een verdere ontwikkeling. Dit type geheugen vind je in USB-sticks, geheugenkaartjes en in je telefoon. Het is veel sneller, gaat langer mee en kan een grotere capaciteit hebben dan EEPROM.

EEPROM

Flash EEPROM

PLC-geheugen Hoe kunnen de verschillende soorten geheugens gebruikt worden in een computer of in een PLC? In het algemeen zul je in een PLC één van de volgende vier soorten geheugen aantreffen: • Programmageheugen (Load memory) Hierin wordt het programma van de PLC opgeslagen. In oudere PLC’s was dit nog een RAM. Om dataverlies te voorkomen, wordt tegenwoordig een speciale geheugenkaart in de CPU gestopt. Dit Flash-geheugen behoudt de data, ook als de spanning van het systeem wegvalt. Ook kan zo’n geheugenkaart gemakkelijk in een andere CPU worden gestopt.

© Kenteq

169

• Werkgeheugen (Working memory) In het werkgeheugen wordt het uitvoerbare deel van het programma vanuit het programmageheugen gekopieerd. Dit is meestal een RAM, dus bij spanningsuitval verdwijnt de data. Omdat het programma ook nog in het programmageheugen staat (op de kaart) is dat meestal geen probleem.

• Systeemgeheugen (System memory) Hierin staat het vaste programma van de PLC. Dit is vaak een vorm van een ROM of Flash-geheugen. De basisfuncties van de PLC bevinden zich in deze software.

• Datageheugen (Retentive memory) Dit is een permanent geheugen waarin je data kunt bewaren.

PLC CPU-poorten De CPU van de PLC beschikt over een aantal poorten waardoor je verbindingen kunt maken met andere componenten. Welke poorten kun je hier vinden?

• MPI-poort Deze Multi-Point Interface poort komt voor bij Siemens PLC’s. Deze poort wordt gebruikt om te communiceren met een pc of laptop. Daarmee kan de PLC geprogrammeerd worden. Om te kunnen communiceren met de computer is nog wel een aparte interface nodig. Dit interface koppelt dan de USB-poort van de computer of laptop met de MPI-poort van de PLC. Programmeren met de pc Dezelfde poort is ook te gebruiken om toegang te krijgen met een Profibusnetwerk.

• DP-poort Deze Decentralized Peripherals poort is uitsluitend bedoeld voor koppeling met het Profibus-netwerk.

• PA-poort.

Ook deze Process Automation poort is een Profibus-aansluiting. Deze wordt vaak gebruikt voor monitoring van processen via de PLC. Soms zijn poorten gecombineerd, bijvoorbeeld een MPI/DP-poort. Via instellingen kunnen we de gewenste functie selecteren. De verschillende industriële bussystemen zijn heel belangrijk voor het gebruik van PLC’s. Naast Profibus (in drie varianten) zijn er onder meer nog AS-i bus, ModBus en CAN-bus.

PLC CPU-status en error-indicatoren Het is belangrijk om continu en zonder veel moeite te kunnen zien wat de status van de PLC is. Voor dat doel zijn er aan de voorkant van de CPU-module een aantal LED’s geplaatst. De kleuren van de LED’s, meestal groen, geel en rood, laten al zien om wat voor soort informatie het gaat. Afhankelijk van het type PLC kunnen er andere functies aanwezig zijn.

170

De PLC in besturingsinstallaties

Je kunt de volgende statusindicatoren aantreffen: • System Fault (rood), fout in het systeem. Dat kan zowel in de hardware als in de software zijn.

• Bus fault (rood), fout in het netwerk, kabelstoring.

• DC Power (groen), indicatie van de voedingsspanning.

• Force mode (geel), tijdelijke handmatige aanpassing van een in- of uitgangspoort.

• Run (groen), de CPU voert het programma correct uit.

• Stop (rood), de CPU is handmatig of door een storing gestopt met de uitvoering.

Status leds zichtbaar op PCU-module

PLC Interfacemodulen Soms is het nodig om meer modulen te installeren dan er op één rek passen. Bij een Siemens S7-300 bijvoorbeeld is het maximum aantal modulen 11. Het is mogelijk om een tweede rek (expansion rack) te plaatsen, maar de CPU moet via de bussen ook kunnen communiceren met alle modules. De oplossing hiervoor is het plaatsen van een interfacemodule, zowel op het eerste rek als op de uitbreiding. Tussen de beide interfacemodulen wordt een datakabel aangesloten. Op deze manier zijn de beide rekken gekoppeld. Deze werkwijze kun je nog een aantal malen herhalen.

9.5

Koppelen van PLC modules

Werking input/output Een PLC-toepassing wordt vooral interessant wanneer er input (invoer) en output (uitvoer) kan plaatsvinden. Daarmee kan de PLC communiceren met de buitenwereld en machines besturen. Dat communiceren gebeurt aan de hand van elektrische signalen.

Types elektrische signalen Een elektrisch signaal is een fysieke grootheid (bijvoorbeeld spanning) die varieert in de tijd. Er zijn twee soorten elektrische signalen: • analoge signalen • digitale signalen.

© Kenteq

171

Analoog signaal Een analoog signaal dat alle waarden in een bepaald bereik kan aannemen.

Bijvoorbeeld een temperatuur die tussen -30 en plus 100 graden Celsius kan zijn.

Ook tussenliggende waarden zijn mogelijk, zoals 30,5 °C. Analoog signaal

Digitaal signaal Een digitaal signaal dat de waarden 1 en 0 (of hoog en laag) kan aannemen. Dit binaire (tweetallige) signaal is goed voor te stellen door een schakelaar. De schakelaar is aan of uit, net zoals de aangesloten lamp.

Digitaal signaal

Voor de PLC is het omgaan met analoge en digitale signalen iets geheel anders. In veel processen zijn deze signalen ook allebei nodig. Zo zal een thermostaat de temperatuur analoog meten en dan een verwarming of koeling in- of uitschakelen.

Zowel sensoren als actuatoren kunnen analoog en digitaal zijn. De I/O-modulen van de PLC moeten deze signalen correct verwerken.

I/O-modulen Vanwege de verschillende soorten signalen zijn er voor de in- en uitvoer vier verschillende PLC-modulen nodig. Eerst wordt de digitale I/O besproken, omdat die het eenvoudigst is. Als voorbeeld dient een schakelaar en een lamp.

• Digitale input Het digitale signaal kan 0 of 1 zijn. De digitale inputmodule hoeft daarom alleen te signaleren of het ingangssignaal 0 of 1 is. Dat kan bijvoorbeeld een eenvoudige schakelaar zijn. Maar het kan ook door sensoren die een analoge meting omzetten in een digitale waarde. Zo kan een temperatuursensor alles boven 0 °C als hoog (1) weergeven en alles daaronder als laag (0).

• Digitale output Op dezelfde wijze kan een digitale actuator worden aangestuurd. Als de output hoog (1) is, wordt de actuator aangestuurd en als de output laag (0) is niet. Een dergelijke actuator kan een lamp zijn, een motor, een klep enzovoort; alles wat de status aan of uit kan aannemen.

Bij analoge I/O ligt het iets ingewikkelder. We nemen hier een voorbeeld van een oven met een verwarmingselement en een thermokoppel.

• Analoge input Een analoge inputmodule is in staat om een bepaalde grootheid te meten en de waarde om te zetten in een waarde voor de PLC. Het thermokoppel kan de temperatuur meten. Een typisch thermokoppel kan de temperatuur meten tussen -270 °C en 1000 °C. Het verschil met een digitale sensor is duidelijk. De gemeten temperatuur kan elke waarde aannemen in dit bereik. De analoge inputmodule moet deze gemeten waarde omzetten in een bruikbaar getal voor de CPU van de PLC. Dat kan bijvoorbeeld een getal tussen 0 en 1023 zijn. De PLC kan met deze waarde bepaalde acties ondernemen.

172

De PLC in besturingsinstallaties

• Analoge output Op dezelfde manier werkt de analoge output. Nu is het signaal niet aan of uit maar variabel. Het verwarmingselement kan langzaam warmer of kouder worden gezet.

Dat kan een voordeel zijn tegenover de eenvoudige aan/uit-schakeling van de digitale I/O. Een analoge actuator kan van alles zijn, bijvoorbeeld een motor, een dimbare lamp, een regelklep en zo verder.

Voorbeeld Met een koffiemachine als voorbeeld demonstreren we hoe de I/O gebruikt kan worden. Eigenlijk wordt de besturing van de machine een ‘embedded system’ (geïntegreerd systeem) genoemd. Het is wel een PLC, maar het programma zit er vast ingebakken en de gebruiker kan het programma niet aanpassen. Zelfs zo’n machine die we elke dag gebruiken, beschikt over een complete besturingseenheid met verschillende I/Omogelijkheden.

Een koffiemachine

Deze beschrijving is een voorbeeld en niet compleet.

• Digitale input – aan/uit-knop – knoppen om de soort koffie te kiezen – sensor waterniveau: vol/leeg – sensor afvalbak: vol/leeg.

• Digitale output – statuslampjes – waterpompje – verwarmingselement – compressor – koffiemaler.

• Analoge input.

– temperatuur van het water.

Verder gebruikt het apparaat een aantal ingebouwde timers om de tijd van de verschillende (deel)processen te kunnen instellen.

3.

© Kenteq

Bij de PLC kunnen digitale en analoge I/O-signalen worden gebruikt. De digitale siganalen zijn het gemakkelijkst te verwerken, dus waarom zouden we dan nog analoge signalen gebruiken?

173

Speciale functies In sommige gevallen zijn de standaard digitale en analoge I/O-modulen niet geschikt om een bepaald type sensor aan te sluiten. Bijvoorbeeld omdat de sensor op een te hoge snelheid of te hoge nauwkeurigheid werkt. In die gevallen is een speciale functiemodule nodig. Sommige leveranciers spreken over ‘Technology Modules’. Bij sommige PLC’s wordt gebruik gemaakt meer dan 2 CPU-modules. Om data tussen die modulen uit te wisselen, kun je dan geen gebruik maken van de standaard netwerkaansluiting. Elke CPU-module heeft immers maar 1 netwerkpoort.

Functiemodulen Het grote verschil tussen een functiemodule en een gewone I/O-module zit in de manier waarop de module de input of output verwerkt. Vanwege de bijzondere eisen wordt de CPU van de PLC hiermee niet belast. De functiemodule doet een groot deel van de dataverwerking zelf. De PLC krijgt meteen het eindresultaat en kan daarop actie ondernemen. In feite doet de functiemodule alles van invoer, verwerking tot uitvoer geheel zelfstandig.

Koppeling van PLC’s Twee CPU-modules kun je eenvoudig koppelen door een koppeling te maken tussen de twee netwerkpoorten (DP). De data kan dan tussen de twee CPU’s worden uitgewisseld. In sommige situaties wordt dezelfde poort ook gebruikt om extra I/Omodulen te koppelen waardoor de poort al bezet is. In dit geval zullen er extra modulen toegevoegd moeten worden waarmee extra poorten beschikbaar komen. Zo’n module is de Communication Processor (CP). Via deze modulen kunnen twee CPU’s gekoppeld worden terwijl de oorspronkelijke poorten beschikbaar blijven. Er zijn verschillende versies van de CP-module die horen bij het gebruikte netwerk.

9.6

Alternatieven voor PLC’s Een PLC is een complex systeem dat door alle uitbreidingen ook kostbaar kan zijn.

In het onderwijs worden daarom vaak vereenvoudigde PLC’s gebruikt zoals de Siemens Logo! of het Eaton Easy relais.

Dat zijn complete PLC’s in één behuizing, dus compleet met voeding, digitale en/of analoge I/O-poorten en een ingebouwde eenvoudige programmeereenheid. Deze apparaten hebben wel enkele beperkingen, maar zijn goed te gebruiken om het principe van PLC’s te leren.

174

Eaton Easy relais

De PLC in besturingsinstallaties

Een ander alternatief is het gebruiken van een Arduino. Dit is eigenlijk geen echte PLC, maar een open-source computerplatform waarmee je microcontrollers kunt maken. Een groot voordeel is de uitgebreide variatie in modellen en de prijs. Een Arduino-set inclusief tientallen sensoren en actuatoren is goedkoper dan de eenvoudigste PLC. Arduino's

De specificaties van dit kleine apparaat zijn indrukwekkend (bijvoorbeeld de Arduino Uno Rev.3): • RISC ATmega328-processor • 32 KB flash memory • aanvullend 2 KB SRAM en 1 KB EEPROM • 14 digitale I/O-poorten waarvan 6 met Pulse Width Modulation (PWM) output • 6 analoge input-poorten • 1 ingebouwde signaal led • 5V USB-voeding • programmeerbaar in Java.

Via de USB-poort kan de Arduino met een computer geprogrammeerd worden. Het programma blijft daarna vast in het geheugen, waardoor de Arduino geheel zelfstandig kan werken. Er zijn ontelbare projecten te maken met dit apparaat. Vooral vanwege de prijs wordt de Arduino op veel scholen ingezet om mechatronische apparaten te maken.

Alleen de manier van programmeren, via de hogere programmeertaal Java, wijkt sterk af van het werken met andere PLC’s. Aan de andere kant is het toepassen van programmeertechnieken ook erg leerzaam. De verwachting is dat de standaard PLC, eigenlijk afkomstig van programmeerbare relaistechnieken, op termijn vervangen zal worden door apparaten die sterk lijken op de Arduino. Alleen stelt een productieomgeving geheel andere (en zwaardere) eisen aan een besturingsapparaat.

4.

© Kenteq

Wat zijn de voor- en nadelen van een volledig geïntergreerde PLC?

175

9.7

Storingen lokaliseren Voor elk apparaat en zeker voor elke computer geldt dat er een situatie kan ontstaan waarin het systeem niet meer goed werkt. Dan is het belangrijk om zo snel mogelijk de storing te lokaliseren en te verhelpen. Het is natuurlijk niet mogelijk om voor elk apparaat en elke situatie een stappenplan te beschrijven. Er zijn te veel mogelijke oorzaken. Dan is het belangrijk om logische stappen te zetten en op die manier de storing te vinden.

Werkwijze Als eerste stel je vast wat er niet werkt: • Werkt het programma niet zoals je gedacht had? Dit zie je vaak bij het opstarten van het proces.

• Werkt het programma helemaal niet?

• Stopt het programma ergens in het proces?

Programma werkt niet correct Als het programma niet werkt zoals je had gedacht, bekijk dan eerst het programma en het functiediagram (grafcet). Wordt het proces niet op de juiste wijze aangestuurd, dan moet je het programma aanpassen.

Tip! Kijk eerst of het juiste programma in de PLC staat. Het kan ook zijn dat er maar een gedeelte in staat. Mogelijke oorzaken: een slechte batterij voor het RAM geheugen, of, indien aanwezig, een slechte (E)EPROM. Is alles in orde, breng dan het programma opnieuw in.

Besturing werkt helemaal niet In dit geval moet je er eerst zeker van zijn dat de PLC werkt en dat het juiste programma geladen is: • Controleer eerst of alle voedingsspanningen aanwezig zijn.

• Controleer of de digitale ingangen voorzien zijn van spanning.

• Controleer of de uitgangen voorzien worden van spanning.

• Controleer ook of de PLC in de RUN-mode staat.

• Controleer of het programma er in staat.

PLC stopt in het proces Hierbij ga je ervan uit dat de besturing eerder wel goed functioneerde. De meest voorkomende oorzaak is dat een signaalgever of opnemer niet juist functioneert. Ook is het mogelijk dat het aan te sturen element niet functioneert of aangestuurd wordt.

De werkplekbegeleider/praktijkopleider stemt de alternatieve opdracht af met de BPVbegeleider van de school. Er moet van zo'n alternatieve opdracht wel een beoordelingsstaat worden gemaakt.

Uit praktijkervaringen blijkt dat 90 - 95% van het totaal aan geconstateerde storingen in een installatie buiten de PLC ligt. Deze storingen zijn terug te voeren op bijvoorbeeld opnemers, weergevers, mechanische onderdelen enzovoort.

176

De PLC in besturingsinstallaties

Hoe lokaliseren we deze storing?

Bijna alle PLC’s hebben op de in- en uitgangskaarten indicatie-LED’s. Bij de ingangen kun je zien of de ingangssignalen binnenkomen. Zet hiervoor de PLC in de programmeerstand. Activeer de signaalgevers (eindschakelaar, drukknop, opnemer) en kijk of op de desbetreffende ingang de LED brandt.

Tip! Het kan ook zijn dat een ingang altijd hoog is (LED brandt) terwijl het na een tijd verbroken moet worden door het proces. Als het een mechanisch contact is, kan het vastgeplakt zitten. Is het een elektronische signaalgever, dan kan deze defect zijn.

Ook kan het zijn dat de ingang als verbreekcontact is aangesloten. Dus let goed op en bekijk het schema.

Aan een LED op de uitgangskaarten zie je of de uitgang aangestuurd wordt. Hierbij moet de PLC in de RUN-stand staan. Controleer dan ook of het desbetreffende element juist functioneert. Verder is het goed om het programma te bekijken. Je kunt dan zien welke uitgangen er aangestuurd moeten worden bij het activeren van bepaalde ingangen.

Tip! Het kan goed mogelijk zijn dat op een uitgang het signaal continu hoog is. De uitgangskaart, zoals al eerder besproken is, kan dan defect zijn. Meestal is het relais vastgebrand of is de transistoruitgang defect. Meest waarschijnlijke oorzaak hiervan is kortsluiting aan de uitgang.

Hulpmiddelen Als de eerder genoemde stappen nog niet tot de oplossing leiden, is het werken met een ingangssimulator een mogelijkheid.

Je moet dan wel alle ingangen losmaken en het programma goed kennen of kunnen lezen.

Met de simulator test je hoofdzakelijk de ingangskaarten en/of de signaalgevers en opnemers. In afbeelding zie je een opstelling met een PLC en gesimuleerde ingangsmodulen en uitgangsindicatoren.

Opstelling met simulator en PLC

Ook bestaat de mogelijkheid om met het programmeerapparaat storingen te zoeken.

Bij sommige PLC’s is het mogelijk dat je op het programmeerapparaat de status van de in- en uitgangen kunt zien. Hiermee kun je zien of de ingangssignalen binnenkomen en of de uitgangen aangestuurd worden.

Bij sommige typen bestaat zelfs nog de mogelijkheid om de uitgangen te activeren.

Hierbij moet je wel goed opletten wat er gebeurt. Bij PLC’s die met een pc geprogrammeerd kunnen worden, zijn alle hiervoor genoemde items mogelijk.

© Kenteq

177

9.8

Samenvatting • PLC’s worden ingezet in de procesautomatisering. Programma’s zorgen voor het besturen, regelen en bewaken van processen. Hierdoor wordt de inzet van mensen sterk verminderd terwijl de kwaliteit meestal beter wordt. Toepassing van PLC’s vindt plaats in zeer verschillende industrieën en in grote en kleine machines.

• Een PLC wordt ingezet in een regelkring. Invoer moet zorgen voor een bepaalde uitvoer. Een meeteenheid (sensor) controleert het resultaat en stuurt de input of het systeem zo nodig bij. Verstoringen van buitenaf kunnen soms ook invloed op het systeem hebben.

• Een PLC bestaat uit hardware en software. De ingangen zijn gekoppeld aan allerlei soorten sensoren waarmee metingen worden gedaan. De uitgangen bedienen de actuatoren. Voor het programmeren van de PLC is een aparte programmeereenheid of een computer nodig. Standaard PLC’s worden geprogrammeerd via een grafische of een tekstuele interface. Het Ladder Diagram (LD) wordt het meest toegepast.

• Een PLC is modulair opgebouwd. Verschillende componenten worden samengebouwd tot één apparaat. De basis is een rek waarop andere modulen een plaats krijgen. Dat begint met de voeding, een centrale verwerkingseenheid, verschillende analoge en digitale I/O-poorten en eventuele speciale functies om systemen te koppelen. Naast de modulaire PLC’s bestaan er ook apparaten waar alles in één behuizing is ondergebracht. Een alternatief voor de PLC is een Arduino.

Met een Arduino kunnen veel PLC-toepassingen worden gemaakt tegen veel lagere kosten.

• Wanneer een systeem met een PLC niet goed werkt, zal er een storing gelokaliseerd en verholpen moeten worden. Daarbij is het belangrijk om logische stappen te zetten en de aanwijzingen van de PLC juist te interpreteren. Daarbij kunnen hulpmiddelen worden ingezet, bijvoorbeeld om ingangen te simuleren.

178

De PLC in besturingsinstallaties

9.9

Antwoorden Antwoord 1 Een proces kan van alles zijn. Verschillende handelingen en activiteiten maken samen een proces. Dat kunnen handmatige en machinale handelingen zijn. Een systeem is een samenhangend geheel van onderdelen dat voor een bepaald doel is ontworpen.

Antwoord 2 Mensen zijn in processen vaak de zwakste schakel, omdat ze het van machines verliezen op snelheid, reactievermogen, nauwkeurigheid, uithoudingsvermogen.

Mensen kunnen beter worden ingezet om ideeën te ontwikkelen, plannen te maken en creatieve oplossingen te bedenken want dat kunnen machines (nog) niet.

Antwoord 3 Vanuit het proces of vanuit de sensor wordt bepaald of een signaal digitaal (aan/uit) of analoog (continu variabel) is. Daar is dus geen keuze in. Overigens wordt een analoog signaal intern wel omgezet naar een digitale waarde om ermee te kunnen werken.

Alleen zal die waarde meestal niet 0 of 1 zijn, maar variëren tussen bijvoorbeeld 0 en 1024.

Antwoord 4 Een geïntegreerde PLC is een compact apparaat waar een groot aantal functies is ondergebracht. Over het algemeen zijn ze hanteerbaar en betaalbaar. De mogelijkheden zijn echter beperkt en het uitbreiden van zo’n PLC is minder gemakkelijk. Zeker in het onderwijs worden deze PLC’s veel toegepast, maar ze kunnen ook ingezet worden om een echt systeem te besturen.

© Kenteq

179

180

De PLC in besturingsinstallaties

10 Ontwerp leidingwaterinstallatie Inleiding Drinkwaterbedrijven leveren drinkwater in nagenoeg heel Nederland. Zij hebben daartoe een uitgebreid net van transport- en distributieleidingen aangelegd. In een aantal situaties hebben drinkwaterbedrijven distributienetten voor huishoudwater gerealiseerd. Energiebedrijven leveren soms ook warmtapwater.

Onder leidingwater vallen drie soorten water: • drinkwater • warmtapwater • huishoudwater.

Het leidingwater wordt middels een aansluitleiding afgeleverd in woning, bedrijf, instelling enz. De aansluiting, waarin zich de hoofdafsluiter, watermeter en keerklep bevinden, is van het drinkwaterbedrijf. Het einde van deze aansluiting is het leveringspunt waarop de leidingwaterinstallatie is aangesloten.

Leidingwaterinstallaties zijn onder te verdelen in: • drinkwaterinstallaties • warmtapwaterinstallaties • huishoudwaterinstallaties Uiteindelijk moet het leidingwater beschikbaar komen voor de gebruiker op die plaatsen waar deze het nodig heeft. Dit noemen wij de tappunten, voorbeelden hiervan zijn: kranen, toestelaansluitingen, brandslanghaspels, nooddouches.

Het geheel aan leidingen, afsluiters, fittingen, kranen, warmtapwatervoorziening, noemen wij de leidingwaterinstallatie.

Leerdoelen Je kunt: • op meerdere manieren een leidingwaterinstallatie grafisch weergeven • alle voorschriften waarmee je rekening moet houden bij het ontwerpen van een leidingwaterinstallatie benoemen en toepassen • kunt de belangrijkste aspecten bij het bepalen van het leidingtracé benoemen • de toegepaste installatieonderdelen benoemen.

© Kenteq

181

10.1

Grafische weergave leidingwaterinstallatie Het grafisch weergeven van een leidingwaterinstallatie in een tekening kan op drie manieren: schematisch 1.

2. leidingloop in plattegrond 3. isometrische projectie Schematekening In een schematische tekening van een leidingwaterinstallatie is de gehele leidingwaterinstallatie met alle onderdelen en toestellen getekend in het platte vlak en niet op schaal. Een schematische tekening geeft heel snel inzicht in hoe de installatie is opgebouwd.

Als het schema klaar is, werk je de installatie in detail uit, je berekent middellijnen en tekent vervolgens alles in de bouwkundige plattegrond. Als deze laatste klaar is, teken je eventueel een isometrische projectie. Dit is met name voor complexere installaties met meerdere bouwlagen een handig hulpmiddel tijdens de aanleg.

Schema waterleidingen appartementengebouw

De afbeelding is een schematekening van een leidingwaterinstallatie van een woongebouw met een collectieve warmwatervoorziening. Dit is een complexere installatie.

182

Ontwerp leidingwaterinstallatie

Daarom zijn voor de overzichtelijkheid de leidingwaterinstallaties in de woningen niet getekend. Wel zijn te zien: drukverhoging, circulatiesysteem met pomp, strangafsluiters, inregelafsluiters en beveiligingen.

In de afbeelding zien we een eenvoudige schematekening van een leidingwaterinstallatie in een bedrijf. Deze installatie is gesplitst in een drinkwatergroep (links) en een proceswatergroep (rechts). Deze laatste is centraal beveiligd tegen terugstroming met een terugstroombeveiliging code BA.

1.

meteropstelling

4.

proceswaterinstallatie

2.

drinkwaterinstallatie

5.

toestel

3.

terugstroombeveiliging

Schema leidingwaterinstallatie met terugstroombeveiliging

1.

Š Kenteq

Wat is het kenmerk van een schematekening?

183

Leidingloop in plattegrond Je ziet een tekening met de leidingloop in een plattegrond van de fundering en de begane grond van een woning. Deze tekening is bedoeld als basis voor de montage van de installatie. De plattegrond komt van de bouwaannemer waarin de hele bouwkundige constructie is weergeven. Voor iedere verdieping is er een plattegrond, althans wanneer zich daar delen van de leidingwaterinstallatie bevinden. In de plattegrond zijn alle relevante onderdelen zoals leidingen (op schaal), middellijnen, toestellen, appendages, tappunten, getekend. Stijg- en zakleidingen worden door pijlen weergegeven waarbij de richting van de pijl de stromingsrichting van het medium aangeeft.

1.

garderobe

3.

toilet

5.

woonkamer

2.

meterkast

4.

hal

6.

keuken

Leidingloop in plattegrond

184

Ontwerp leidingwaterinstallatie

2.

Wat is het kenmerk van een plattegrondtekening?

Isometrische projectie De isometrische projectie maak je om een ruimtelijk beeld te krijgen van het verloop van de leidingen. Dit kan voordelen hebben bij het maken van berekeningen en begrotingen. Een voorbeeld van een isometrische projectie is te zien in de afbeelding.

Isometrische projectie

3.

Š Kenteq

Wat is het kenmerk van een isometrische leidingtekening?

185

10.2

Voorschriften Naast de beschikbaarheid en doelmatigheid is vooral de hygiëne van leidingwater, en met name drinkwater, van groot belang. Leidingwaterinstallaties moeten dusdanig zijn ontworpen en aangelegd dat de risico's voor de gebruikers tot een minimum zijn beperkt. Daarom is door de overheid regelgeving in de vorm van wetten, besluiten, normen en richtlijnen vastgesteld.

De technische eisen voor leidingwaterinstallaties zijn in normen vastgelegd. Echter een norm op zich geeft geen enkele verplichting deze ook te volgen. Dit moet bij wet en besluit geregeld worden, met andere woorden: in een wet/besluit staat dat een installatie volgens die norm moet worden aangelegd. Ook is het de gewoonte dat een opdrachtgever in het programma van eisen of het bestek verwijst naar bepaalde normen. Dit mag nooit strijdig zijn met de wet. Omdat normen meestal niet praktisch zijn opgesteld, stellen verschillende organisaties (praktijk)richtlijnen en handboeken op. Voor leidingwaterinstallaties zijn dat bijvoorbeeld de Waterwerkbladen en ISSOpublicaties.

Besluiten zijn een uitwerking van de wet.

Bijvoorbeeld het Bouwbesluit is een technische uitwerking van de Woningwet.

In de afbeelding is schematisch weergegeven hoe de relaties liggen tussen verschillende wetten en richtlijnen.

Van Drinkwaterwet naar Waterwerkbladen

De volgende wetten, besluiten, normen, richtlijnen zijn direct of indirect van toepassing op het ontwerpen van leidingwaterinstallaties: • Drinkwaterwet • Drinkwaterbesluit • Bouwbesluit • Model Algemene voorwaarden Drinkwater • Model Aansluitvoorwaarden Drinkwater • NEN 1006 - Algemene voorschriften voor leidingwaterinstallaties • NEN 2768 - Meterruimten en bijbehorende bouwkundige voorzieningen in woningen • NEN 6922 Waterprestatie van woningen • Waterwerkbladen • ISSO publicatie 55.1 Handleiding legionellapreventie in leidingwater • ISSO-publicatie 55.2 Handleiding zorgplicht legionellapreventie.

Drinkwaterwet In de Drinkwaterwet staat dat het leidingwater - drinkwater, warmtapwater en huishoudwater - aan de kwaliteitseisen moet voldoen, aan het punt waar het ter beschikking komt van de gebruiker: de kraan. Leidingwaterinstallaties kunnen die kwaliteit negatief beïnvloeden door bijvoorbeeld verkeerde materialen, te grote middellijnen, geen of verkeerde terugstroombeveiligingen bij toestellen, te lage temperatuur van warmtapwater.

186

Ontwerp leidingwaterinstallatie

Drinkwaterbesluit In het Drinkwaterbesluit staat dat: • een eigenaar van een leidingwaterinstallatie of -watervoorziening ervoor moet zorgen dat er geen gevaar is voor het verontreinigd raken van het distributienet van het drinkwaterbedrijf; • een eigenaar van een leidingnet- of collectieve watervoorziening ervoor moet zorgen dat de gebruikers daarvan geen gezondheidsrisico lopen.

Bouwbesluit In het Bouwbesluit (BB) staat aangegeven dat als er in het gebouw een drinkwateren /of warmtapwaterinstallatie aanwezig is, deze moet(en) voldoen aan de NEN 1006.

Model Algemene voorwaarden drinkwater Het Model Algemene voorwaarden drinkwater wordt uitgegeven door de VEWIN, de Vereniging van Exploitanten van Waterbedrijven In Nederland. Hierin staat dat een op de hoofdleiding aangesloten drinkwaterinstallatie moet voldoen aan de model Aansluitvoorwaarden Drinkwater. Voldoet een drinkwaterinstallatie daar niet aan dan heeft het drinkwaterbedrijf formeel het recht af te sluiten.

Model Aansluitvoorwaarden drinkwater Het Model Aansluitvoorwaarden drinkwater wordt ook uitgegeven door de VEWIN. Hierin staan onder andere de volgende zaken: • Drinkwaterinstallaties moeten voldoen aan wettelijke voorschriften of bepalingen.

• Drinkwaterinstallaties moeten voldoen aan de NEN 1006.

• Tussen drinkwaterinstallaties onderling mag geen verbinding bestaan.

• Het drinkwaterbedrijf bepaalt hoe een drinkwaterinstallatie op de hoofdleiding moet worden aangesloten. Dit om te voorkomen dat het distributienet vanuit een aangesloten installatie verontreinigd raakt.

NEN 1006 De NEN 1006 is de Nederlandse norm voor leidingwaterinstallaties. De titel van deze norm is Algemene voorschriften voor leidingwater-installaties (AVWI). De NEN 1006 is gebaseerd op negen grondslagen. Een leidingwaterinstallatie moet dusdanig zijn ontworpen en uitgevoerd dat: a. de voor het doel beoogde volumestroom, gebruiksdruk en temperatuur aan de desbetreffende tappunten en aansluitpunten voor toestellen beschikbaar is; b. het water bij de tappunten - met het oog op de volksgezondheid – betrouwbaar is voor het gebruiksdoel. Het water aan de tappunten aan de normen voor fysische, chemische en microbiologische kwaliteit voldoet; c. de leidingwaterinstallatie veilig is voor leven en eigendommen; d. de levering van leidingwater bij derden niet negatief beïnvloed mag worden; e. geluidshinder vermeden wordt; f. verspilling van water en energie vermeden wordt; g. een langdurig en ongestoord gebruik mag worden verwacht; h. de kwaliteit van de verschillende soorten leidingwater door verbindingen onderling niet nadelig wordt beïnvloed; i. deze gemakkelijk kan worden bediend, beheerd en onderhouden.

© Kenteq

187

Deze grondslagen worden in de daarop volgende artikelen op hoofdlijnen nader uitgewerkt. Op hoofdlijnen omdat in leidingwater biologische en chemische processen afspelen die sterk afhankelijk zijn van de omstandigheden waaronder drinkwaterbedrijven water leveren. Deze omstandigheden kunnen per plaats of zelfs per straat anders zijn.

NEN 2768 Meterruimten in woningen en woongebouwen In de NEN 2768 staan de eisen voor meterkasten. Naast afmetingen en indeling staat hier ook in welke delen van een leidingwaterinstallatie zich wel en niet in de meterkast mogen bevinden. Genoemd wordt ook welk deel daarvoor gereserveerd is. Het gaat hier bijvoorbeeld om de warmtapwater-unit bij stadsverwarming.

NEN 6922 Waterprestatie van woningen De NEN 6922 geeft de bepalingsmethode weer voor een waterprestatiecoĂŤfficiĂŤnt (WPC) van een woning. Het is bedoeld als een instrument voor de berekening van de WPC van een woning en de daarbij behorende installatie voor de bereiding van warmtapwater. Het werkelijke watergebruik kan niet door middel van de WPC worden vastgesteld.

Waterwerkbladen Waterwerkbladen zijn een praktische uitwerking van de NEN 1006 en hebben de status van een richtlijn. Dit betekent dat een leidingwaterinstallatie, ontworpen en uitgevoerd volgens de werkbladen, in ieder geval aan de norm voldoet. De werkbladen zijn continu aan verandering onderhevig.

Legionellapreventie in leidingwater In het Drinkwaterbesluit staan de eisen die betrekking hebben op het voorkomen van legionellose vanuit leidingwaterinstallaties.

Legionellose of veteranenziekte is de ziekte veroorzaakt door de legionellabacterie. De ziekte kan een dodelijke afloop hebben. Voor een aantal categorieĂŤn collectieve leidingwaterinstallaties geldt de preventieplicht.

Dit houdt in het uitvoeren van een risicoanalyse, het beheersen van de eventuele risico's middels technische en/of een beheersmaatregelen. Voor de overige collectieve leidingwaterinstallaties geldt de zorgplicht; de eigenaar zorgt ervoor dat derden betrouwbaar water kunnen gebruiken.

4.

188

Wat is het kenmerkende verschil tussen de NEN 1006 en de Waterwerkbladen?

Ontwerp leidingwaterinstallatie

10.3

Leidingtracés Voor het bepalen van het leidingtracé zijn de volgende aspecten van belang: • plaats van de watermeteropstelling • plaats van de tap- en aansluitpunten • eventuele bemetering van secties • drukzones • groepenindeling • omgevingscondities • lengte van leidingen en verbruik daarop • geluidhinder: waterslag • klantenwensen • bedrijfszekerheid • onderhoudsaspecten Deze aspecten behandelen we in deze paragraaf.

Bij het selecteren van de installatieonderdelen speelt het tracé een belangrijke rol. Met name bij warmtapwaterinstallaties zijn er nog een aantal specifieke aspecten van belang: • plaats van het warmtapwatertoestel; • wachttijden voor warmtapwater; • uitzetting van de leidingen; • veiligheidsaspecten als legionellapreventie; • duurzaamheidsaspecten als energieverlies.

Plaats watermeteropstelling De plaats van de watermeteropstelling is de start van het ontwerp. Niet alleen is de plaats van belang maar ook de meterruimte. Mogelijk kun je hierin al een aantal toestellen en appendages onderbrengen. Denk hierbij aan de groepsverdeling, brandpomp, drukverhoging, tussenmeters, enz.

1.

muurstuk

2.

voetbocht

3.

flensbuis

4.

afsluiter

5.

pas- en uitbouwstuk (is niet altijd nodig)

6.

filter

7.

watermeter

8.

keerklep

9.

leidinginvoerput

10.

ondersteuning

Watermeteropstelling bedrijf

© Kenteq

189

In de afbeelding hieronder zie je de meterkast van een woning.

1.

watermeter

3.

elektriciteitsmeter

2.

gasmeter

4.

diverse mantelbuizen

Meterkast woning

5.

190

Waarom is de plaats van de watermeteropstelling de start van het leidingontwerp?

Ontwerp leidingwaterinstallatie

Plaats tap- en aansluitpunten Een leidingwaterinstallatie transporteert water naar de punten waar het beschikbaar moet komen voor de gebruiker, bijv. een gootsteen, een douche, toilet, brandslanghaspel.

De tappunten en aansluitpunten voor toestellen in een perceel moeten worden aangesloten op het leveringspunt van het drinkwaterbedrijf. Het kiezen van het juiste tracé is een van de belangrijkste aspecten van het ontwerpen.

Een tracé kan worden uitgevoerd op twee manieren, in twee systemen: • Vertakt systeem: het principe is dat iedere tak eindigt bij een tap- of aansluitpunt.

Het voordeel van dit systeem is dat er in het hele systeem doorstroming is, als het laatste tappunt van de verschillende takken een tappunt is waar voldoende verbruik op zit. Dit systeem heeft een sterke voorkeur.

Vertakt systeem

• Ringleidingsysteem: hierbij loopt het leidingnet in één of meerdere ringen rond . Nadeel van dit systeem is dat er in de ring vaak een punt is waar de snelheid nul is. Dan is er dus geen verversing van water, waardoor de kwaliteit van het water achteruitgaat.

Dit systeem wordt in het kader van legionellapreventie sterk ontraden. Het systeem mag je wel toepassen als de kwaliteitsaspecten minder of niet van belang zijn zoals bijv. in een proceswaterinstallatie.

Ringleidingsysteem

© Kenteq

191

6.

Wat is het belangrijke aspect voor het ontwerp van het leidingtracé van een leidingwaterinstallatie in verblijfsgebouwen?

Bemetering secties In de utiliteitsbouw wil de opdrachtgever vaak delen van de leidingwaterinstallatie voorzien hebben van watermeters, bijvoorbeeld om het verbruik te kunnen verrekenen met individuele verbruikers. Voorbeelden hiervan zijn: winkelcentra, bedrijfsverzamelgebouwen, recreatiebedrijven. In het leidingontwerp mag een sectie dan ook maar één voeding hebben. Overigens streeft een opdrachtgever er altijd naar om de individuele bemetering aan het drinkwaterbedrijf over te laten. Hoge kosten kunnen dit wel eens verhinderen.

Appartementen in woongebouwen worden tegenwoordig altijd 100% door het drinkwaterbedrijf bemeterd. In de afbeelding zie je een voorbeeld waarbij de appartementen op de eerste vier bouwlagen ieder voorzien zijn van een eigen aansluiting met watermeter. De hogere bouwlagen zijn ook bemeterd, maar de watermeters zijn geplaatst in de binneninstallatie. Het afleveringspunt van het drinkwaterbedrijf bevindt zich bij punt 4: de hoofdafsluiter, daarna komt de drukverhoging. Het deel tussen punt 4 en de watermeters is een collectief leidingnet.

192

Ontwerp leidingwaterinstallatie

1.

hoofdleiding

7.

aansluiting in mantelbuis

2.

dienstkraan

3.

afsluiter/dienstkraan

8.

meteropstelling (meterkast)

4.

hoofdkraan

9.

toevoerleiding naar woningen

5.

frontbeveiliging

6.

drukverhogingsinstallatie

(eigendom drinkwaterbedrijf)

(eigendom eigenaar gebouw)

Aansluiting van een woongebouw

Š Kenteq

193

Bij een centrale meteropstelling is ook ieder appartement individueel bemeterd maar zijn de watermeters centraal opgesteld. Hier bevindt zich ook het afleveringspunt van het drinkwaterbedrijf.

Nadeel is de hoge kosten in verband met ruime leidingschachten en grote lengten buis. Deze kosten hoef je niet te maken bij de aansluitmethode zoals aan de linkerkant in de afbeelding van de aansluiting van een woongebouw is weergegeven.

Centrale meteropstelling

Drukzones Uit de berekening van de middellijnen voor een leidingwaterinstallatie kan blijken dat de benodigde gebruiksdruk aan een of meerdere tappunten niet kan worden bereikt.

Redenen hiervoor kunnen zijn dat: • een gebouw dusdanig hoog is dat de leveringsdruk van het drinkwaterbedrijf onvoldoende is voor de hogere verdiepingen; • de vereiste gebruiksdruk voor het tappunt hoger is; • de leidinglengten, en daarmee de weerstand, te groot zijn.

In die gevallen moet de druk opgevoerd worden door een pompinstallatie - een drukverhogingsinstallatie. Een specifieke drukverhoging is een brandpomp-installatie, daarover later meer.

Een volledige leidingwaterinstallatie in bijvoorbeeld een woongebouw kan achter een drukverhoging aangesloten zijn, er is dan één drukzone. Een drukzone is een begrensd gedeelte van een leidingwaterinstallatie of misschien een perceel, waarbinnen de minimale gebruiksdruk van een tappunt en maximale druk begrensd worden.

Volgens de NEN 1006 staat dat de statische druk voor een tappunt niet hoger mag zijn dan 500 kPa. Criteria voor kranen gaan uit van een gebruiksdruk van 300 kPa. De minimale gebruiksdruk voor een kraan is 100 kPa. Een woongebouw kan te hoog zijn voor een pompinstallatie. Om op de bovenste verdieping(en) voldoende gebruiksdruk op de tappunten te garanderen, kan de druk van de pompinstallatie te hoog worden; zo hoog dat de druk op de lager gelegen verdiepingen ontoelaatbaar hoog wordt.

De leidingwaterinstallatie moet dan verdeeld worden in meerdere drukzones. Op die manier kan in iedere drukzone de minimale gebruiksdruk geleverd worden zonder dat de maximaal toegestane druk overschreden wordt.

194

Ontwerp leidingwaterinstallatie

Het streven is om zoveel mogelijk gebruik te maken van de leveringsdruk van het drinkwaterbedrijf, dus zo min mogelijk verdiepingen achter de drukverhogingsinstallatie.

Als bijvoorbeeld twee drukzones voldoende zijn, dan moet de onderste drukzone op de waterleidingdruk aangesloten worden, dus voor de drukverhoging. De bovenste drukzone wordt dan achter de drukverhoging aangesloten, zie onderstaande afbeelding.

Drukzones met drukverhogingsinstallatie

Bij meer dan drie drukzones moet je meerdere pompinstallaties plaatsen, eventueel in combinatie met drukverminderingstoestellen (reduceerklep). In de volgende afbeelding is de laagste zone op waterleidingdruk, de middelste en hoogste drukzone zijn achter een pompinstallatie aangesloten. Vervolgens is de middelste drukzone weer voorzien van een drukverminderingstoestel. Deze vermindert de druk na eerst opgevoerd te zijn.

Drie drukzones met 1 drukverhogingsinstallatie

Dit is een eenvoudige installatie maar energetisch niet de beste.

Een andere variant met drie drukzones is te zien in de volgende afbeelding. De laagste drukzone is weer op de waterleidingdruk aangesloten, de middelste en hoogste drukzone hebben ieder hun eigen drukverhoging. Dit is energetisch voordeliger dan in de vorige afbeelding. Er zijn echter wel twee drukverhogingsinstallaties nodig; dit betekent dus hogere investering en meer ruimte.

Drie drukzones met twee drukverhogingsinstallaties

In de volgende afbeelding zie je nog een voorbeeld met twee drukzones en twee drukverhogingen in serie. De meest rechtse variant is energetisch het beste maar heeft als nadeel dat ergens op de verdiepingen een pompruimte vrijgemaakt moet worden.

Š Kenteq

195

De pomp op deze plaats kan leiden tot geluidsklachten bij bewoners. Daarom wordt dit in woongebouwen nagenoeg niet toegepast, wel vindt men dit terug in hoge kantoorgebouwen.

Drie varianten drukverhogingsinstallaties

7.

In het ontwerp van leidingwaterinstallaties kan het nodig zijn gebruik te maken van drukzones. a. Wanneer heb je bij het ontwerp te maken met (een) drukzone(s)?

b. Waarmee moet je bij de indeling van drukzones rekening houden?

Groepenindeling Redenen voor het indelen van een leidingwaterinstallatie in meerdere groepen zijn: • noodzakelijkheid van drukzones; • het Waterwerkblad eist dat bij meer dan vijftien tappunten er minimaal twee groepen moeten zijn, in verband met bedrijfszekerheid; • gewenste bemetering van secties; • gewenst of noodzakelijk apart aansluiten van specifieke tappunten of toestellen, bijvoorbeeld brandslanghaspel of nood- en oogdouches; • het verdelen van een leidingwaterinstallatie in een drinkwaterdeel en een proceswaterdeel waarbij het proceswaterdeel centraal beveiligd is tegen terugstroming van eventueel verontreinigd water; • gedeelten van leidingwaterinstallaties die afzonderlijk afsluitbaar en aftapbaar moeten zijn, bijv. bij bevriezingsgevaar.

In de afbeelding zijn drie voorbeelden te zien van het indelen in groepen.

196

Ontwerp leidingwaterinstallatie

1.

indeling per gebruikersgroep of indeling

2.

groepsindeling naar aard van gebruik van gebouw

3.

indeling naar toepassing gebouwdelen

Verdeling in groepen

Leidingtracés in woongebouwen Voor leidingen in woongebouwen geldt nog een aantal specifieke eisen: • De collectieve leidingwaterinstallatie moet in toegankelijke ruimten zijn aangelegd.

• De leidingwaterinstallaties moeten volledig in de afzonderlijke woningen zijn aangebracht en afzonderlijk in die woning afsluitbaar en aftapbaar zijn.

Omgevingscondities Bij het bepalen van het tracé is het belangrijk om de omgevingscondities te bekijken.

Indien deze condities schadelijk kunnen zijn, moet je daar in het ontwerp rekening mee houden. De belangrijkste omgevingsrisico's zijn: Bevriezing Bevriezing leidt tot onderbreking van de toevoer naar tappunten. Wat echter erger is, dooi leidt tot aanzienlijke financiële schade door waterschade en een hoge waterverspilling. Leidingen in de grond kun je tegen bevriezing beschermen door een gronddekking van 1 meter. Bij leidingen in kruipruimten moet je rekening houden met ventilatieopeningen. Ook geven leidingen op niet-geïsoleerde buitenmuren een risico op bevriezing. Maatregelen kunnen zijn: isolatie eventueel gecombineerd met lintverwarming. Buitenkranen moeten afsluitbaar en aftapbaar zijn, of vorstvrij uitgevoerd.

Overmatige verwarming Door overmatige verwarming gaat de kwaliteit van het leidingwater achteruit.

Bacteriën groeien harder naarmate de temperatuur hoger wordt, boven een bepaalde temperatuur sterven zij weer af. Groei kan vérstrekkende gevolgen hebben voor de gebruiker. Dit kan variëren van een simpele buikloop tot de dood. Daarom mag drinken huishoudwater niet warmer worden dan 25 °C. Risico voor overmatige verwarming bestaat in ketelhuizen, stookruimten, dubbele plafonds, kokers en schachten voor zover zich daar heet water, stoom of cv-leidingen bevinden en vloeren met vloerverwarming of cv-leidingen. Voor in vloeren gelegde leidingen houd je een veilige onderlinge afstand aan die varieert van 150 tot 700 mm (zie hiervoor ISSO-publicatie 811). © Kenteq

197

Andere maatregelen kunnen variĂŤren van isoleren tot verplaatsen.

Uitwendige corrosie Uitwendige corrosie komt voor bij metalen leidingen. Bovengrondse koperen buizen kunnen door luchtverontreiniging als zuren, ammonia, zwavelstof aangetast worden.

Oplossingen hiervoor zijn: de buizen bekleden met kunststof of een andere materiaalsoort kiezen zoals kunststof. Ondergrondse metalen leidingen (koper) kunnen aangetast worden door veengrond, grond met een hoog sulfaat-, ammoniumnitraat-, of chloridegehalte. Vermijd ook koper bij open riolen, mestputten en dergelijke.

Permeatie en verweking Permeatie is het doordringen van een vreemde stof door bijv. een buiswand. Dit kan optreden bij kunststof leidingmateriaal zoals PVC (polyvinylchloride) en PE (polyetheen) waarbij de vreemde stof van buitenaf in het leidingwater komt. Dit verschijnsel treedt met name op bij leidingen in grond die vervuild is met aromatische koolwaterstoffen als benzine en gechloreerde organische verbindingen als tetra, trichloorethyleen en perchloorethyleen. Tevens kan daarbij verweking optreden: het zacht worden van de kunststof. Bijvoorbeeld bij ondergrondse leidingen bij benzinestations is het niet toegestaan een permeabele materiaalsoort toe te passen.

Mechanische beschadiging Op plaatsen waar een verhoogde kans op mechanische beschadiging te verwachten is, moet je leidingaanleg vermijden. Is dit niet mogelijk, bescherm dan de leidingen of pas een andere materiaalsoort toe. Situaties waar dit kan voorkomen zijn industriĂŤle installaties en veestallen.

8.

Welke omgevingscondities kunnen direct invloed hebben op de kwaliteit van leidingwater?

Waterslag Waterslag is een steeds vaker voorkomend ongemak. In het ontwerp van een leidingwaterinstallatie moet je daar rekening mee houden. Oorzaken van de toenemende problematiek zijn eengreepsmengkranen, nachtstroom en kleinere warmtapwaterleidingen.

Wat is waterslag?

Waterslag is een drukverhoging ten gevolge van snelheidsverandering van een watermassa in een gesloten leidingsysteem. Wanneer een bewegende watermassa in een leiding plotseling tot staan wordt gebracht door het snel sluiten van een kraan, ontstaat waterslag. De drukverhoging treedt in eerste instantie op ter plaatse van de kraan. Vervolgens breidt deze zich uit in de rest van het systeem. De hoogte van de drukpiek is afhankelijk van: • de soortelijke massa van de vloeistof; hoe groter de soortelijke massa, hoe groter de drukverhoging; 198

Ontwerp leidingwaterinstallatie

• de voortplantingssnelheid van de drukgolf door de vloeistof; hoe sneller de voortplantingssnelheid, hoe hoger de drukpiek; • de verandering van de snelheid, dit wordt bepaald door de sluitsnelheid van een kraan; hoe groter deze verandering, hoe hoger de drukpiek.

Op zich produceert het optreden van een drukpiek geen geluid. Het leidt echter wel tot het uitzetten van de leiding. Via de bevestiging van de leiding op een wand wordt de wand aangestoten waardoor deze in trilling komt. De trilling van de wand wordt overgebracht op de lucht en deze trillende lucht bereikt ons oor.

Voorkomen van waterslag in het ontwerp In de tabel staan de aspecten die in het ontwerp kunnen worden opgenomen en het effect daarvan.

Parameter volumestroom

Invloed op waterslag

Korte toelichting

++

wordt ondermeer beïnvloed door de dynamische voordruk; is bepalend voor de stroomsnelheid en dus voor hoogte drukpiek, hoge volumestroom geeft hoge drukpiek

leidinglengte

+

bij korte leidingen ontstaat geen volledige drukopbouw

leidingmiddellijn aftakleiding

+

kleine middellijn bij dezelfde volumestroom betekent hoge snelheid en dus hoge drukpiek

leidingmiddellijn verdeelleiding

+

middellijn verdeelleiding groter dan aftakleiding geeft reflectie bij aftakking en daardoor geen volledige drukopbouw

kunststof leiding

++

door de lage voortplantingssnelheid is de drukpiek veel lager

Aspecten waterslag

Uiteindelijk komt het er op neer een leidingwaterinstallatie te ontwerpen waarin: a. de volumestromen beperkt worden door bijv. doorstroombegrenzers of de voordruk wordt beperkt door middel van drukzones bij woongebouwen en drukverminderingstoestellen; b. geheel of gedeeltelijk kunststof leidingen zijn toegepast, alleen de aftakleidingen in kunststof is vaak al voldoende; c. de aftakleidingen hebben grotere leidingmiddellijnen; bedenk hierbij wel dat dit strijdig is met de tendens om kleine middellijnen in warmtapwaterleidingen toe te passen, in verband met energiebesparing en verkorting van wachttijden; d. ruimere verdeelleidingen zijn toegepast; e. relatief korte aftakleidingen zijn toegepast; f. afsluiters en kranen met lange sluitingstijd zijn gebruikt; doorgaans is hier geen invloed op uit te oefenen, zeker niet in de ontwerpfase; g. leidingen goed zijn gebeugeld, in combinatie met beugels met rubber inlage, waardoor het geluidseffect van waterslag vermindert.

© Kenteq

199

9.

Er zijn diverse mogelijkheden om in de ontwerpfase rekening te houden met het voorkomen van waterslag. Waarop heb je in de ontwerpfase weinig of geen invloed?

Duurzaamheidsaspecten In leidingwaterinstallaties - wij bedoelen hier de drinkwaterinstallatie - spelen twee duurzaamheidsaspecten: de materiaalkeuze en het waterverbruik.

Materiaalkeuze Grofweg kun je kiezen uit twee soorten materiaal: metaal of kunststof. Wat metaal betreft heeft koper de afgelopen jaren in een negatief daglicht gestaan. Koper uit een leidingwaterinstallatie zou via de riolering en rioolwaterzuiveringen het oppervlaktewater aanzienlijk vervuilen. Nu is die stelling behoorlijk afgezwakt omdat het leidingwater in Nederland dusdanig geconditioneerd is dat het in oplossing gaan van koper in leidingwaterinstallaties praktisch niet voorkomt. Koper wordt zelfs geroemd om zijn duurzaam karakter. Immers koper is heel goed recyclebaar, in principe oneindig vaak.

Kunststof leidingsystemen geven geen kwalijke stoffen af maar zijn moeilijker recyclebaar.

PVC werd door milieuorganisaties als een zeer kwalijk materiaal gezien omdat er bij verbranding giftige gassen vrijkomen. Omdat PVC evenwel goed gerecycled wordt, is dit argument niet meer relevant.

Waterverbruik Parameters die het drinkwaterverbruik beïnvloeden, zijn: • Druk: hoe hoger de druk, des te meer water uit de kraan komt. Het advies is om geen hogere druk dan 300 kPa aan het tappunt toe te staan. Dit kun je in het ontwerp bereiken door de juiste indeling in drukzones, keuze van drukverhoging en drukverminderingstoestellen.

• Tappunten en aangesloten toestellen: waterbesparende kranen, zuinige wasmachines, toiletreservoirs. Door de juiste keuze kun je daar in het ontwerp al rekening mee houden voor zover het past binnen de wensen van de klant.

• Wachttijden voor warmtapwater: lange en ruime leidingen geven lange wachttijden, dat is dus verspilling.

• Gedrag van gebruiker: laat deze de kraan lopen of niet. In het ontwerp is daar geen invloed op uit te oefenen.

• Soort water: door water uit een duurzame bron te gebruiken, bijv. oppervlaktewater, hemelwater of huishoudwater, zou dit minder milieubelastend zijn.

• Bemetering: het bemeteren van secties en het doorberekenen van het verbruik kunnen het gedrag van de gebruiker beïnvloeden.

200

Ontwerp leidingwaterinstallatie

10.

10.4

Er zijn diverse mogelijkheden om in de ontwerpfase rekening te houden met waterverspilling. Waarop heb je in de ontwerpfase geen invloed?

Installatieonderdelen Leidingsystemen Leidingsystemen worden van oudsher meestal uitgevoerd in koper. Tegenwoordig zijn er goede alternatieven in de vorm van kunststof of composietleidingsystemen. Die kenmerken zich door een andere wijze van verwerken en andere materiaaleigenschappen.

Een kunststof leidingsysteem bestaat uit leidingen en fittingen en wordt in zijn geheel gecertificeerd, bijvoorbeeld met KIWA-keur. Hiermee voldoet het systeem in principe voor alle leidingwatersystemen, maar ook voor cv.

Behalve volkunststof leidingen zijn er ook leidingen die uit verschillende materialen zijn opgebouwd. Een leiding kan dan uit meerdere lagen (meerlagen- of multilayerbuis) zijn opgebouwd, bijvoorbeeld: • de binnenzijde is kunststof; • vervolgens is er een aluminium inlage; • en aan de buitenzijde weer kunststof.

De leiding uit dit voorbeeld is diffusiedicht, bestand tegen permeatie en met de hand te buigen.

Verbindingen worden tot stand gebracht door persen, insteken en knellen.

Het nadeel van kunststof leidingsystemen is dat door de grote diversiteit de verschillende systemen niet altijd met elkaar te combineren zijn of ander montagegereedschap vereisen. Overigens zijn tegenwoordig goede overgangverbindingen te krijgen.

Voorheen werd koper altijd gesoldeerd. Door het verbod op loodhoudend soldeer en agressieve vloeimiddelen zijn er echter ook voor koper andere verbindingstechnieken gekomen. Deze kunnen sneller tot stand gebracht worden en geven een zekerder afdichting. Daarmee kunnen de koperen leidingsystemen ook concurreren met de kunststof systemen.

De keuze van een leidingsysteem maak je op basis van een aantal aspecten: • bestendigheid tegen interne en externe chemische aantasting en permeabiliteit • verbindingstechniek • verwerking • hergebruikmogelijkheden • duurzaamheid van het systeem • flexibiliteit • materiaalkosten • montagekosten • onderhoudskosten

© Kenteq

201

Appendages Appendages zijn onderdelen van een leidingwaterinstallatie met een hulpfunctie. Vaak zal het weglaten van een appendage niet direct het functioneren van een leidingwaterinstallatie beïnvloeden. Voorbeelden van appendages zijn: afsluiters, kranen, aftappers, terugstroombeveiligingen, drukverminderingstoestellen, ontlastkleppen en volumestroombegrenzers.

Afsluiters Afsluiters hebben tot doel een leidingwaterinstallatie of een deel daarvan af te sluiten.

Daarnaast worden afsluiters gebruikt voor het afsluiten van toestellen en het testen van terugstroombeveiligingen bijvoorbeeld een controleerbare keerklep, code EA. Het type afsluiter of kraan kies je op basis van: • prijs • doorlaat • onderhoud (kwaliteit) Drukverminderingstoestellen In een drukverminderingstoestel wordt de druk gereduceerd door te smoren, dat wil zeggen door de volumestroom te knijpen. Drukverminderingstoestellen zijn onafhankelijk van druk en volumestroom, de benedenstroomse druk blijft constant.

Redenen voor het toepassen van een drukverminderingstoestel kunnen zijn: • De druk aan een of meerdere tappunten is te hoog.

• Verdeling van een woongebouw met drukverhoging, in drukzones.

• Waterslag beperken.

Volumestroombegrenzers De volumestroombegrenzer heeft tot doel de volumestroom te beperken.

De begrenzer wordt toegepast: • vóór een reservoir om er voor te zorgen dat de druk in de rest van de installatie voldoende hoog blijft wanneer de vulklep vol open staat; • in verband met waterbesparing.

Beveiliging tegen terugstroming leidingwater Van belang is dat de leidingwaterkwaliteit tot aan het tappunt goed blijft en dat de installatie ten aanzien van te hoge of te lage druk veilig is voor de gebruiker. De leidingwaterinstallatie moet om die reden voldoen aan de eisen van NEN 1006. De leidingwaterinstallatie moet beveiligd zijn tegen terugstroming vanuit een aangesloten gevaarlijk toestel of installatie. Dit is nodig, omdat het leidingwater in de installatie met allerlei stoffen in aanraking kan komen. Voorbeelden in een woning zijn: cv-water, waswater uit de wasmachine en badwater. Zeker in een bedrijf waar productieprocessen rechtstreeks aangesloten zijn op de leidingwaterinstallatie, zijn beveiligingen noodzakelijk.

Een kruisverbinding is een verbinding tussen een leidingwaterinstallatie en een gevaarlijk toestel, waarin zich stoffen bevinden die niet in de drinkwaterinstallatie en het distributienet mogen terugstromen.

Terugstroming kan plaatsvinden door: • terugpersing: perskruisverbinding; • terugheveling: zuigkruisverbinding.

202

Ontwerp leidingwaterinstallatie

Beide kruisverbindingen komen aan bod samen met een overzicht van de beveiligingstoestellen. Daarna lees je een toelichting op de vloeistofklassen en op het overzicht van de beveiligingstoestellen.

Perskruisverbinding De perskruisverbinding is een verbinding met een toestel of installatie, waarin de druk groter is dan de atmosferische druk.

Hierdoor kunnen vreemde stoffen in de drinkwaterinstallatie geperst worden.

Enkele praktijkvoorbeelden zijn: • een aansluiting van een boiler, al of niet deel uitmakend van een combiketel of een warmtewisselaar voor warm tapwater.

Perskruisverbinding (aansluiting close-in boiler)

• een verbinding met een cv-installatie; het is een perskruisverbinding indien de vulslang voortdurend aangekoppeld blijft.

• als er een vaste verbinding is gemaakt met een productieleiding en of wanneer deze leiding na de productie wordt schoon gespoeld met reinigingsmiddelen.

Zuigkruisverbinding De zuigkruisverbinding is een verbinding met een toestel of installatie, waarin de druk gelijk of kleiner is dan de atmosferische druk.

Een onderdruk in een drinkwaterinstallatie kan het gevolg zijn van: • een leidingbreuk; • verkeerde bediening van de afsluiters; • drukschommelingen veroorzaakt door drukverhogingsinstallaties of door een grote plaatselijke afname van water zoals bij brand.

Denk bij terugheveling aan bijv. een badmengkraan gecombineerd met een doucheaansluiting. Als de douchekop in het badwater ligt en de druk in de drinkwaterinstallatie valt weg, kan badwater terughevelen in de installatie (zie afbeelding).

Dit zijn gevaarlijke situaties.

Zuigkruisverbinding (badmengkraan met handdouche)

Methode bepaling type terugstroombeveiliging De basis voor het bepalen van het type terugstroombeveiliging is de Europese norm NEN-EN 1717 Protection against pollution of potable water in water installations and general requirements of devices to prevent pollution by backflow.

Waterwerkblad 3.8 is grotendeels op deze norm gebaseerd.

© Kenteq

203

De methode voor het bepalen van de minimale terugstroombeveiliging gebeurt in vier stappen: Analyseer het verontreinigingsrisico van het aan te sluiten toestel. Bekijk hierbij 1. de volgende parameters: • de aard van de verontreiniging uitgedrukt in een vloeistofklasse; • de wijze waarop de verontreiniging in de leidingwaterinstallatie kan geraken; via terughevelen (p £ atm) en/of via terugpersen (p > atm).

2.

Plaats de gevonden parameters in een installatiematrix (zie tabel Installatiematrix) door de betreffende rondje(s) zwart te maken.

3.

Vergelijk de installatiematrix met de beveiligingsmatrix uit de Waterwerkbladen.

4.

Bepaal de minimaal noodzakelijke terugstroombeveiliging waarbij het risico zoals aangegeven in de installatiematrix, wordt afgedekt. Kies een beveiligingstoestel uit het overzicht van beveiligingstoestellen uit de Waterwerkbladen.

Toelichting vloeistofklassen Bij de aard van de verontreiniging gaat het om de eventueel verontreinigde vloeistof die in enige situatie in contact met het leidingwater kan geraken. Hierbij worden interne beveiligingen buiten beschouwing gelaten. De vloeistof die kan terugstromen, wordt onderscheiden in de volgende klassen: • Vloeistofklasse 1: Drinkwater uit een drinkwaterdistributiesysteem.

• Vloeistofklasse 2: Vloeibare stof, die geen schade oplevert voor de menselijke gezondheid en geschikt is voor menselijke consumptie en drinkwater dat een verandering heeft ondergaan wat betreft smaak, geur, kleur of temperatuur.

• Vloeistofklasse 3: Vloeibare stof die in enige mate de menselijke gezondheid kan schaden door de aanwezigheid van een of meerdere toxische substanties.

• Vloeistofklasse 4: Vloeibare stof die een gevaar oplevert voor de menselijke gezondheid door aanwezigheid van een of meerdere toxische substanties of radioactieve bestanddelen.

• Vloeistofklasse 5: Vloeibare stof verontreinigd met ziekteverwekkende bacteriën of virussen.

De volledige omschrijvingen staan in het Waterwerkblad 3.8.

Druk bij eventuele terugstroming

p = atm

p > atm

Vloeistofklasse

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

Verontreinigingsrisico

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

Installatiematrix

Toelichting overzicht beveiligingstoestellen De beveiligingstoestellen waaruit je een keuze kunt maken, zijn onderverdeeld in groepen. Deze groepsindeling is gebaseerd op specifieke beveiligingskenmerken.

Binnen een groep is weer een onderverdeling gemaakt naar typen. Het risicoafdekkend vermogen wordt aangegeven door middel van het aantal zwarte rondjes. Hoe meer rondjes, des te beter het beveiligingsniveau. Of een beveiliging bescherming biedt tegen terughevelen of terugpersen hangt af in welke kolom, p = atm en/of p > atm, je de bolletjes hebt zwart gemaakt.

De gevonden beveiliging hoeft niet altijd de juiste te zijn. Op basis van andere argumenten kun je voor een andere (hogere) beveiliging kiezen. Redenen hiervoor kunnen zijn: • De beveiliging is niet op de Nederlandse markt verkrijgbaar.

204

Ontwerp leidingwaterinstallatie

• De terugstroombeveiliging is niet voorzien van het vereiste KIWA-keurmerk.

• Kosten.

• In het aan te sluiten toestel zit al een beveiliging die minimaal aan de beveiliging uit de installatiematrix voldoet.

• Drukverlies.

• Onderhoud.

Niet altijd hoef je een terugstroombeveiliging volgens genoemde methode te bepalen.

In de "Beoordelingsrapporten gevaarlijke toestellen" (zie www.infodwi.nl) is een groot aantal vaak voorkomende toestellen beoordeeld, en is de juiste terugstroombeveiliging reeds bepaald.

Daarnaast kan een toestel voorzien zijn van een KIWA Verklaring Waterleidingtechnische Veiligheid. Dit is te zien aan een sticker bij het aansluitpunt van het toestel. Deze toestellen zijn of niet gevaarlijk of intern reeds voorzien van de juiste beveiliging. Je kunt ze rechtstreeks op de leidingwater-installatie aansluiten.

11.

Welke twee parameters zijn bepalend voor de selectie van terugstroombeveiligingen?

Warmtapwatertoestellen Je krijgt informatie over de soorten warmtapwatertoestellen en over de aspecten die een rol spelen bij de keuze van een toestel.

Warmtapwaterbereiders zijn op twee manieren te onderscheiden. De eerste manier is naar doorstroom- en voorraadtoestellen: Doorstroomtoestellen Een doorstroomtoestel heeft geen voorraad warm tapwater beschikbaar, de energietoevoer begint zodra er warm tapwater wordt afgenomen. De meest bekende zijn een geiser en een combitoestel zonder boilervat. De eigenschappen van een doorstroomtoestel zijn: • Geschikt als er een min of meer constante vraag is naar warm tapwater.

• Voortdurende beschikbaarheid van warmtapwater, het kan nooit 'leeg' raken.

• Een toestelwachttijd van 2 tot 15 seconden. De toestelwachttijd is de tijd tussen het opendraaien van de kraan en het leveren van warmtapwater van voldoende temperatuur aan de uitstroomzijde van het warmtapwatertoestel.

• Gevoelig voor kalkaanslag door de hogere temperaturen in de warmtewisselaar.

• Niet in serie of parallel te plaatsen.

• Relatief kleine afmetingen.

• Een drukverlies van circa 50 kPa. Dit hoge drukverlies kan negatieve effecten hebben doordat er aan de mengkraan een verschil in druk tussen drinkwater en warm tapwater is. Dit geeft problemen bij het constant houden van de mengtemperatuur.

• Heeft een tapdrempel. De tapdrempel is de minimale volumestroom waarbij de energietoevoer in werking treedt.

© Kenteq

205

Voorraadtoestellen Een voorraadtoestel heeft, als het voldoende is opgewarmd, genoeg warm tapwater in voorraad om gedurende enige tijd water te leveren zonder dat de energietoevoer hoeft te starten. De meest voorkomende is een boiler. De eigenschappen van een voorraadtoestel zijn: • Geschikt voor leveren van hoge pieken.

• Geen toestelwachttijd.

• Grote levercapaciteit bij een beperkt opwarmend vermogen.

• Laag drukverlies.

• De warmtapwatervoorraad is beperkt tot de nuttige inhoud. We kunnen dit compenseren door een groter opwarmend vermogen.

• Relatief grote afmetingen.

De andere wijze van indeling is de manier van verwarmen van het warm tapwater. Dit kan op twee manieren: Directe verwarming Hierbij vindt de warmteoverdracht aan het tapwater direct plaats door een primaire energiedrager als gas, elektrische energie, olie, hout, enz.

Hierbij kun je denken aan: • direct verwarmd doorstroomtoestel, bijvoorbeeld een geiser.

Direct verwarmd doorstroomtoestel

• direct verwarmd voorraadtoestel, bijvoorbeeld een gasboiler.

Direct verwarmd voorraadtoestel

Indirecte verwarming Hierbij vindt de warmte-overdracht middels een secundair of tussenmedium plaats dat alleen dient als drager van warmte-energie. Als medium wordt water, stoom en koelmiddel gebruikt.

Hierbij kun je denken aan:

206

Ontwerp leidingwaterinstallatie

• indirect verwarmd doorstroomtoestel, bijvoorbeeld een combi cv-ketel met tapspiraal (zie afbeelding) of tapspiraal gevoed door stadsverwarming.

Indirect verwarmd doorstroomtoestel

• indirect verwarmd voorraadtoestel, bijvoorbeeld een boiler met cvverwarmingsspiraal (zie afbeelding) of zonneboiler.

1.

voorraadtank

2.

drinkwatertoevoer

3.

tapwatertoevoer

4.

cv-water in

5.

cv-water uit

6.

recirculatie tapwater

7.

thermostaat

Indirect verwarmd voorraadtoestel

Keuze warmtapwatertoestel Voor het maken van de keuze van het juiste warmtapwatertoestel spelen de volgende aspecten een rol: • Warmtapwatervraag: hoeveel warm water is in een bepaalde tijd nodig? Het totale maximaal gewenst volume warm tapwater in een bepaalde tijd is van invloed op de inhoud en/of het vermogen van de warmtapwaterbereider.

• Tap- of afnamepatroon: in welke mate wordt het gewenste volume warmtapwater afgenomen? Het afnamepatroon kan per gebouwfunctie verschillen. Zelfs binnen dezelfde gebouwfunctie kunnen er verschillen zijn bijvoorbeeld door het gedrag van de gebruikers. In overleg met de opdrachtgever bepaal je hoe het tappatroon zal zijn. Hierbij houd je rekening met bezettingsgraad, gelijktijdigheid, gebruikstijdstippen en gebruiksduur. Ook kun je gebruik maken van ervaringscijfers en metingen bij vergelijkbare gebouwen (zie afbeelding).

© Kenteq

207

Patronen van warmtapwatervraag

• Beschikbare energiebron(nen): is er gas, elektrische energie, olie, stadsverwarming beschikbaar? Denk hierbij ook aan zonnewarmte, bodemwarmte, warmte in afvalwater, koelwater enzovoort.

• Locatie voor het warmtapwatertoestel: moet er één centraal opgestelde warmtapwaterbereider zijn of meerdere decentrale bijvoorbeeld in verband met een indeling in drukzones? Het gaat hierbij om de plaats ten opzichte van de warmtapwatertappunten, de beschikbare locatie en ruimte voor de warmtapwaterbereider en natuurlijk op welke plek in het gebouw de energiebronnen beschikbaar zijn.

• Combinatie met cv: in de meeste gevallen is er een installatie aanwezig voor ruimteverwarming. Overwogen kan worden deze installatie ook te gebruiken voor warmtapwaterbereiding.

• Aanwezigheid van een circulatiesysteem: bij de aanwezigheid van een circulatiesystemen valt een ‘direct verwarmd’ doorstroomtoestel af als mogelijke optie. Een ‘indirect verwarmd’ toestel is mogelijk, maar past men niet vaak toe in combinatie met een circulatiesysteem. Het komt voor dat in het ontwerp geen rekening is gehouden met een circulatiesysteem maar er toch warmtapwater beschikbaar moet zijn op ruime afstand van het geplande warmtapwatertoestel. In dat geval moet daar een apart toestel bijgeplaatst worden opdat de wachttijden acceptabel en binnen de norm blijven.

• Energiegebruik: voor een duurzaam energiegebruik van warmtapwatertoestellen speelt het opwekkingsrendement een belangrijke rol bij de juiste keuze van het toestel.

Onder opwekkingsrendement wordt verstaan het rendement vanaf de energieopwekking tot en met het toestel. Een overzicht met opwekkingsrendementen van verschillende toestellen staat in de tabel opwekkingsrendementen toestellen.

208

Ontwerp leidingwaterinstallatie

Toesteltype

Opwekkings-rendement h

geiser

0,55

HR ketel met cv-boiler

0,55

HR combi

0,55

gasboiler

0,55

elektrische boiler

0,95

warmtepomp

1,4

Opwekkingsrendementen toestellen

Genoemde getallen moet je zien als een indicatie omdat er binnen een toesteltype nog verschillen kunnen zijn, bijv. door andere constructie. Vaak wordt ook de term gebruiksrendement genoemd.

Dit betreft het totale rendement tussen energie-opwekking en energielevering, dus aan de warmtapwatertappunten. Als je rekening houdt met het rendement van de elektrische centrale van 40%, betekent dit dat van een elektrische boiler met een opwekkingsrendement van 95% nog maar 38% overblijft. Is bijvoorbeeld het opwekkingsrendement 75%, dan wordt het totale gebruiksrendement nog lager, afhankelijk van gebruik en tappatronen. Zo kan een gasgestookte boiler bij hoofdzakelijk langdurig tappen zoals voor bad en douche een zeer goed gebruiksrendement hebben. Hetzelfde toestel, maar dan gebruikt voor kortstondige tappingen zoals keukengebruik, geeft een slecht gebruiksrendement. Al met al nog redelijk complex. • Comfort: naast de comfortaspecten als voldoende hoge temperatuur en voldoende hoeveelheid, is de wachttijd van grote betekenis. Lange wachttijden geven onnodig energieverlies en ergernis bij de gebruiker. De meest gebruikte tappunten vereisen de kortste wachttijd.

De wachttijd kan opgesplitst worden in twee wachttijden: de toestel- en de leidingwachttijd, bij elkaar opgeteld is dit de totale wachttijd.

De aanvaardbare maximale leidingwachttijden voor huishoudelijke toepassingen zie je in de tabel. Deze zijn vastgelegd in Waterwerkblad 4.4 A. soort tappunt

wachttijd in seconden

keukenmengkraan

20

wastafelmengkraan

20

bidetmengkraan

20

douchemengkraan

20

badmengkraan

-

Leidingwachttijden

De maximale toestelwachttijd is gesteld op 15 seconden.

Mocht een doorstroomtoestel een langere toestelwachttijd hebben, dan moet je dus een ander toestel kiezen. Voorraadtoestellen hebben in de regel geen wachttijd. Je mag in dat geval niet de leidingwachttijd met 15 seconden verhogen.

Voor gebouwen zonder woonfunctie zijn geen eisen gesteld aan de wachttijd. Deze moeten dus vastgelegd worden in het programma van eisen. Bij tappunten als het vullen van reservoirs is de wachttijd niet of minder van belang. Š Kenteq

209

12.

Warmtapwatertoestellen zijn onder andere in te delen in 'voorraadtoestellen' en 'doorstroomtoestellen'. a. Welke kenmerken zijn qua levering van warmtapwater verbonden aan voorraadtoestellen?

b. Welke kenmerken zijn qua levering van warmtapwater verbonden aan doorstroomtoestellen?

Parallel- en serieschakeling van warmtapwatertoestellen Meerdere voorraadtoestellen kunnen parallel of in serie met elkaar worden verbonden.

Redenen hiervoor zijn: • beperkte ruimte en/of toegang tot een ruimte wanneer een groot volume warmtapwater vereist is; • omdat warmtapwatertoestellen vaak in het laatste stadium van de bouw worden geplaatst, is het niet altijd meer mogelijk een groot voorraadtoestel te plaatsen; dit geldt ook bij renovatie; • vanwege de bedrijfszekerheid en onderhoud kan voor meerdere toestellen gekozen worden.

Het in serie of parallel schakelen van doorstroomtoestellen komt (bijna) niet voor.

Parallelschakeling voorraadtoestellen Het parallel schakelen van voorraadtoestellen heeft de volgende kenmerken: • Kans op onvoldoende doorstroming door een van de toestellen en daardoor verhoogde kans op bacteriegroei. Dit kun je voorkomen door de leidinglengten en middellijnen voor en na de toestellen gelijk te houden (Tichelmann systeem), zie de afbeelding.

• Kans op te lage temperatuur door ongelijke volumestroom over ieder toestel waardoor er al een leeg kan raken terwijl de overigen nog voldoende vol zijn. Er treedt vermenging op.

• Laag drukverlies.

• Onderhoud mogelijk zonder onderbreking van de warmwatervoorziening.

210

Ontwerp leidingwaterinstallatie

1.

voorraadvat

3.

drinkwater

2.

warmtapwater

4.

circulatiewater

Parallelschakeling voorraadtoestellen

Serieschakeling voorraadtoestellen Het serieschakelen van voorraadtoestellen heeft de volgende kenmerken: • De volledige waterstoom gaat door ieder van de toestellen en daardoor is er voldoende doorstroming.

• Hoger drukverlies dan bij parallelschakeling (zie afbeelding).

• Onderhoud zonder onderbreking van de warmtapwaterlevering is niet mogelijk tenzij je kortsluitleidingen toepast. Dat levert echter weer dood water op.

• Grotere snelheden door de toestellen en aansluitleidingen omdat zij de volledige volumestroom moeten verwerken.

• Wanneer ieder toestel onderin een ingebouwde warmtewisselaar heeft, kunnen er problemen ontstaan met de opwarming. Er vindt te veel vermenging plaats van warmtap- en drinkwater en er is een beperktere warmteoverdracht. Deze voorraadtoestellen zijn hierdoor minder geschikt voor serieschakeling.

1.

voorraadvat

4.

drinkwater

2.

warmtewisselaar

5.

warmtapwater

3.

oplaadpomp

Serieschakeling voorraadtoestellen (oplaadsysteem)

© Kenteq

211

10.5

Antwoorden Antwoord 1 Een schematekening van een leidingwaterinstallatie is een tekening in het platte vlak van de gehele leidingwaterinstallatie met alle onderdelen en toestellen.

Antwoord 2 De plattegrondtekening is een bouwkundige onderlegger in het platte vlak op schaal en waarin -indien van toepassing- alle relevante onderdelen van de leidingwaterinstallatie en leidingmiddellijnen worden getekend.

Antwoord 3 Een isometrische leidingtekening geeft een ruimtelijk beeld van het verloop van de leidingen.

Antwoord 4 In de NEN 1006 staat aan welke eisen leidingwaterinstallaties moeten voldoen. In de Waterwerkbladen staan -practische- uitvoeringsvormen waarmee aan de eisen van de norm kan worden voldaan.

Antwoord 5 De watermeteropstelling is het punt van waterlevering. Van daaruit moet de leidingwaterinstallatie 'geconstrueerd' worden.

Antwoord 6 Verbruik op elke sectie ter minimalisering van achteruitgang van de waterkwaliteit.

Antwoord 7 a. Bij drukverhoging van het water. b. Vereiste minimale en toelaatbare maximale waterdruk aan tappunten.

Antwoord 8 • Vervuilde grond (met daarin PE of PVC leidingen) met risico van permeatie. • Bovenmatige omgevingstemperatuur, waardoor verhoogd risico van legionellabesmetting.

Antwoord 9 De uitvoering van afsluiters en kranen.

Antwoord 10 Het gedrag van de verbruiker.

Antwoord 11 Het verontreinigingsrisico van de vloeistof (vloeistofklasse) en de soort -gevaarlijkeverbinding (pers- of zuigkruisverbinding).

Antwoord 12 a. Voorraadtoestellen kunnen nagenoeg bij de heersende waterdruk een hoeveelheid warmtapwater leveren die afhankelijk is van de toestelinhoud. Daarna moet het water eerst weer op temperatuur worden gebracht.

212

Ontwerp leidingwaterinstallatie

b. Doorstroomtoestellen kunnen bij voortduring warmtapwater leveren met een debiet dat gelimiteerd is op basis van het toestelvermogen.

Š Kenteq

213

214

Ontwerp leidingwaterinstallatie

11 Luchtbehandelingsinstallatie woningbouw 11.1

Inleiding Een luchtbehandelingsinstallatie in woningen is nodig geworden door de eisen in het Bouwbesluit en ISSOpublicatie 51 en ISSO-publicatie 53 om de isolatiewaarde aan te scherpen.

Hierdoor worden de ramen kleiner en de natuurlijke ventilatieroosters verdwijnen.

Dit om energie te besparen, echter de luchtkwaliteit in de woning werd zo slecht dat mechanisch ventileren noodzakelijk werd. Het goed mechanisch ventileren van een woning is niet eenvoudig. De eisen hiervoor zijn omschreven in NEN 1087 en het Bouwbesluit. Voor scholen en kantoren gelden andere normen, bij voorbeeld de NEN 1089 en de NPR 1090.

In deze module worden de verschillende ventilatiesystemen met en zonder WTW behandeld.

Luchtbehandelingsinstallatie woningbouw

Een luchtbehandelingsinstallatie zorgt voor toevoer van verse lucht en afvoer van gebruikte vuile lucht in de woning. Door deze ventilatie ontstaat een prettig en gezond leefklimaat. Het leefklimaat bestaat uit drie onderdelen, • thermische behaaglijkheid; • luchtzuiverheid; • akoestische behaaglijkheid.

Omdat dit voor elk persoon anders ligt zijn er ook hiervoor normen die de behaaglijkheid vastleggen, zoals NEN-EN-ISO 7730 en NPR-CR 1752, ook ISSO-74.

Een luchtbehandelingsinstallatie kan ook zorgen voor verwarming, koeling of bevochtiging van de lucht. De ruimte krijgt hierdoor de gewenste temperatuur en luchtvochtigheid.

© Kenteq

215

11.2

Luchtbehandelingsinstallatie Een luchtbehandelingsinstallatie zorgt voor een behaaglijk leefklimaat in een woning of gebouw. Dat doet ze door verse koude lucht van buiten aan te voeren en gebruikte, vervuilde warme lucht af te voeren.

Daarnaast kan een luchtbehandelingstoestel eventueel de lucht behandelen, zoals verwarmen, filteren, koelen, ont- en bevochtigen.

Luchtbehandelingsinstallatie

Indeling ventilatiesystemen In de NEN 1087 en NPR 1088 worden ventilatiesystemen in gebouwen ingedeeld naar de manier van luchttoe- en afvoer: • Systeem A: natuurlijke luchttoevoer en natuurlijke luchtafvoer • Systeem B: mechanische luchttoevoer en natuurlijke luchtafvoer • Systeem C: natuurlijk luchttoevoer en mechanische luchtafvoer • Systeem D: mechanische lucht toevoer en mechanische luchtafvoer Ventilatiesysteem A Bij systeem A heb je een natuurlijke luchttoevoer en een natuurlijke luchtafvoer. Er is een natuurlijke toevoer van verse lucht via 'natuurlijke' toevoerroosters in vensters en muren. De doorstroming van lucht verloopt langs roosters in binnenwanden of -deuren of langs spleten onder de binnendeuren.

Afvoer van vervuilde, in natte ruimten, gebeurt op natuurlijke wijze via afvoerkanalen met regelbare roosters.

Ventilatiesysteem A

216

Luchtbehandelingsinstallatie woningbouw

Vroeger hadden de mensen natuurlijke ventilatie in hun woningen. Deze ventilatie ontstaat doordat verse lucht van buiten door kieren en spleten in het huis dringt. Al in de jaren 1930 werden ventilatieroosters in de woningen gemetseld, mede omdat in het winterseizoen de verbrandingslucht uit de woning werd gehaald.

“Natuurlijke ventilatie”

Ventilatiesysteem B Bij systeem B heb je een mechanische luchttoevoer en een natuurlijke luchtafvoer. Er is een mechanische toevoer van verse lucht via elektrische ventilatoren in de droge ruimten. De doorstroming van lucht verloopt langs roosters in binnenwanden en -deuren of langs spleten onder de binnendeuren.

Afvoer van vervuilde lucht , in natte ruimten, gebeurt op natuurlijke wijze via verticale afvoerkanalen die zo dicht mogelijk bij de nok uitmonden.

Ventilatiesysteem B

Moderne woningen zijn goed geïsoleerd en kierdicht. Om toch verse lucht naar binnen te laten maak je in de moderne woningbouw gebruik van mechanische ventilatie.

Roosters voor luchttoevoer en -afvoer (een rond rooster zoals hier wordt ventiel genoemd)

© Kenteq

217

Ventilatiesysteem C Bij systeem C heb je een natuurlijke luchttoevoer en een mechanische luchtafvoer. Er is een toevoer van verse lucht via 'natuurlijke' toevoerroosters in vensters of muren. De doorstroming van lucht verloopt langs roosters in binnenwanden en -deuren of langs spleten onder de binnendeuren.

Afvoer van vervuilde lucht, in natte ruimten, gebeurt mechanisch door elektrische ventilatoren.

Ventilatiesysteem C

ventilatiesysteem C (2)

In steden bevat de 'verse' lucht erg veel uitlaatgassen en fijnstof. Deze ongefilterde lucht zorgt voor een ongezond klimaat in de woning. Je moet altijd een luchtfilter toepassen.

Raamrooster met filter

Een afzuigventilator transporteert de gebruikte binnenlucht via een luchtkanalensysteem naar buiten. Je vindt bij dit systeem afzuigroosters in onder andere: • de keuken; • de badkamer; • het toilet.

Je kunt de afzuigventilator op verschillende plaatsen tegenkomen: • binnenshuis – centraal, meestal op zolder omdat de ventilator het nodige lawaai produceert – lokaal, direct in de keuken, de toiletten en/of de badkamer • buitenshuis, meestal op het dak.

Centrale afzuigventilator voor binnen

218

Luchtbehandelingsinstallatie woningbouw

Ventilatiesysteem D Bij systeem D heb je een mechanische luchttoevoer en een mechanische luchtafvoer. Er is een mechanische toevoer van verse lucht via elektrische ventilatoren in droge ruimten. De doorstroming van lucht verloopt langs roosters in binnenwanden of -deuren of langs spleten onder de binnendeuren.

Afvoer van vervuilde, in natte ruimten, gebeurt mechanisch door elektrische ventilatoren.

Ventilatiesysteem D

Je regelt in dit systeem niet alleen de luchtafvoer maar ook de luchttoevoer met mechanische ventilatie. Het gevolg hiervan is dat je precies evenveel verse lucht aanvoert als vuile lucht afvoert. Dit is in balans. Vandaar dat je voor dit systeem de naam ‘balansventilatie’ gebruikt.

Waaruit bestaat een luchtbehandelingsinstallatie?

Een uit: A. B. C. D. E. F. G. H. I.

luchtbehandelingsinstallatie bestaat rioolont- en beluchting ventilatieluchttoevoer buitenluchttoevoer geventileerde nokconstructie toe- en afvoerkanalen WTW-unit condensafvoer toe- en afvoerkanalen van de ruimte ventilatie dakdoorvoer

Luchtbehandelingsinstallatie

(A, B en D zijn van toepassing als de buitenlucht van onder de dakpannen wordt aangezogen).

A is de rioolontluchting, vlakbij zie je weer de aanzuigopening voor 'verse' lucht. De rioollucht wordt dus door het gehele huis geblazen. Erg fris dus... Dit is een zeer veel voorkomende fout en oorzaak van veel ziektegevallen!

Je ziet dat de leverancier al basisfouten maakt. Let dus goed op.

11.3

Soorten en toepassing Soorten luchtbehandelingsinstallaties in woningen In de moderne woningbouw kom je de volgende soorten luchtbehandelingsinstallaties tegen: • balansventilatie met HR-WTW-unit • luchtverwarming via direct gestookte luchtverwarmer • luchtverwarming via indirect gestookte luchtverwarmer

© Kenteq

219

Balansventilatie met HR-WTW-unit Een systeem met balansventilatie zuigt evenveel verse lucht aan als dat het vuile lucht uitblaast. De hoeveelheid lucht is constant ‘in balans’.

Opmerking: Luchtverwarming via een direct of indirect gestookte luchtverwarmer werkt deels met recirculerende lucht (lucht die in de woning blijft en opnieuw wordt verwarmd).

Het gevolg is dat huisstof en andere kiemen meecirculeren. De lucht moet daarom door een zeer goed werkend filter gaan. Het filter moet regelmatig worden schoongemaakt. Met bijvoorbeeld veel huisdieren in de woning mag het wel maandelijks.

Balansventilatie

Meestal gebruik je in dit systeem ook een WTW-unit. WTW-unit betekent Warmte TerugWin-unit.

Door het aantal (3 stuks) ventilatoren in de units I en II wordt een deel van de energiewinst tenietgedaan.

Voorbeeld van WTW-unit

220

Luchtbehandelingsinstallatie woningbouw

Luchtverwarming via direct gestookte luchtverwarmer In dit systeem zorgt de gasbrander voor de verwarming van de lucht. De stookinstallatie valt onder de gaswetten en -normen ISSO, NEN 1078, NEN 2757 en NEN 1010.

Voorbeeld van luchtverwarmingssysteem

Luchtverwarming via indirect gestookte luchtverwarmer In dit systeem zorgt de warmtewisselaar voor de verwarming van de lucht. De warmtewisselaar krijgt warmte van warm water, stoom of thermische olie en geeft deze vervolgens af aan de lucht.

Voorbeeld van luchtverwarmingssysteem

Š Kenteq

221

11.4

Werking luchtbehandelingsinstallatie Het complete systeem Een luchtbehandelingsinstallatie zorgt voor de aanvoer van verse lucht van buiten. Een luchtbehandelingstoestel behandelt deze lucht. Behalve het verwarmen als behandeling van de lucht is ook het filteren en bevochtigen of ontvochtigen een behandeling.

De aangevoerde lucht stroomt door luchtkanalen en via roosters in de ruimten van een woning.

Rooster voor verse lucht

De ventilator De ventilator zorgt voor het aanzuigen van buitenlucht, transport van lucht door het huis en afvoer van de gebruikte binnenlucht.

Bij toepassing van een WTW-unit zal een tweede ventilator de vervuilde lucht uit de woning afvoeren.

Er bestaan lokale ventilatoren. Deze kun je in elk te ventileren vertrek plaatsen.

Ventilatoren voor buitenshuis plaats je meestal op het dak van een woning.

Lokale ventilator op dak van een woning

Opmerking: Als een woning een hout- of gasgestookte openhaard heeft, gelden er speciale regels voor de ventilatie en voor de beluchting van de haard en de woonruimte.

Daarnaast heb je centrale ventilatorboxen voor een hele woning. Deze plaats je binnenshuis. Een afzuigventilator zuigt centraal af, bijvoorbeeld uit de toiletruimte door in de woning naar verschillende vertrekken gelegde luchtkanalen of buizen.

Centrale ventilatorbox

222

Luchtbehandelingsinstallatie woningbouw

De luchtkanalen Luchtkanalen zorgen voor het transport van lucht door de hele woning. Gebruikte lucht die in de woning aanwezig is, wordt naar buiten afgevoerd via luchtafvoerkanalen.

Bij nieuwbouwwoningen kun je in het ontwerp direct een goede plaatsing van het luchtkanalensysteem bedenken.

Dit is een metalen luchtkanaal van Spirobuis, met daarboven een flexibel leidingdeel van folie.

Bij aanpassingen in bestaande woningen is dat veel moeilijker. De luchtkanalen kun je hier veel moeilijker uit het zicht plaatsen.

Nog weg te werken luchtkanalen in een woning

Roosters De verwarmde lucht wordt via roosters de verschillende ruimten in de woning ingeblazen. Ronde roosters worden ventielen genoemd en hebben een instelbare doorstroming. Daarmee regel je de hoeveelheid warmte of lucht naar een ruimte. Ook het afzuigkanaal heeft ventielen.

Luchtrooster

De luchtverwarmer Direct gestookte luchtverwarmer De direct gestookte luchtverwarmer is meestal een gastoestel dat werkt als een cvtoestel. Een gasbrander verwarmt de lucht die in het luchtkanaal langs de brander stroomt.

Indirect gestookte luchtverwarmer De indirect gestookte luchtverwarmer gebruikt een warmtewisselaar. De wisselaar krijgt warmte van stoom, thermische olie of warm water, bijvoorbeeld via cv-ketel, stadsverwarming of een warmtepomp.

Een ingebouwde ventilator zuigt lucht aan. De warmtewisselaar geeft zijn warmte af aan de lucht. De luchtverwarmer blaast de verwarmde lucht weer de woning in. Een nadeel ten opzichte van een water-cv-installatie is het aantal kanalen door een woning met vrij grote diameters en het moeilijk in balans brengen van de verschillende vertrekken.

Š Kenteq

223

De warmteterugwin-unit Een warmteterugwin-unit (WTW-unit) wint de warmte terug uit de afgevoerde binnenlucht. De WTW-unit bestaat uit een warmtewisselaar, waarin de afgevoerde binnenlucht langs de koude buitenlucht stroomt. Hierdoor warmt de buitenlucht al flink op. Je hebt dan niet meer zo veel energie nodig om de kamers op temperatuur te brengen. Het rendement is dus hoger, maar er blijft een deel van de warmte naar buiten wegvloeien.

Warmteterugwin-unit

Condensafvoer WTW-unit Warme binnenlucht bevat waterdamp door de adem van bewoners en het koken, dat in de WTW-unit afkoelt door de koude toevoerlucht. Daardoor ontstaat condens (waterdamp in watervorm). Een WTW-unit heeft daarom een aansluiting voor een afvoerleiding. Je sluit de afvoerleiding met een open verbinding aan op de stankafsluiter van de binnenriolering.

Stankafsluiter in condensafvoer

11.5

Richtlijnen Bij de plaatsing van luchtverwarmingstoestellen heb je te maken met aansluitingen op: • luchtkanalen • rookgasafvoer

224

Luchtbehandelingsinstallatie woningbouw

• • • •

riolering elektriciteit gas cv.

Voor al deze aansluitingen zijn er normen. In het Bouwbesluit is vastgelegd volgens welke normen je moet werken.

• Gas: NEN 1078 en ISSO • Elektrisch: NEN 1010 en NEN 3140 • Rookgasafvoer: NEN 2757 • Luchtkanalen: NEN 1087 en Bouwbesluit • Riool: NEN leidraad rioleringen.

Je ziet dat er veel regels zijn die je je moet aanleren om vaktechnisch te kunnen werken. Je moet ervoor zorgen dat het toestel op een veilige en toegankelijke plaats staat. Als deze plaats eenmaal is vastgesteld, kun je daar niet gemakkelijk van afwijken.

Opmerking: Je mag niet zomaar een gastoestel aansluiten op gas of elektriciteit. Hiervoor moet je certificaten hebben of onder leiding werken.

© Kenteq

225

226

Luchtbehandelingsinstallatie woningbouw

12 Regeltheorie Inleiding Grootheden zoals temperatuur, vochtigheid, druk, niveau en snelheid, kun je regelen. Je zorgt er dan voor dat de waarde van de grootheid juist is ingesteld.

Niveauregeling

Leerdoelen Je • • • • • • •

© Kenteq

kunt: uitleggen wat regelen is een regeling met een processchema beschrijven een regeling met een blokschema beschrijven het verschil tussen regelen en sturen uitleggen het verschil tussen zelfregelende en niet-zelfregelende processen uitleggen beschrijven wat de invloed van tijd op het regelproces is verschillende vormen van regelen noemen.

227

12.1

Regelen Regelen is het houden van de waarde van een grootheid op de waarde die je wenst of instelt. Om te regelen meet je. Het resultaat van de meting vergelijk je met de gewenste waarde. De afwijking van de gemeten waarde ten opzichte van de gewenste waarde corrigeer je vervolgens.

Voorbeeld

Niveauregeling

Op de afbeelding 'Niveauregeling' zie je een bak met water. Het niveau moet je zo constant mogelijk houden. Je kunt het waterniveau beïnvloeden door: • een standverandering van afsluiter C in de afvoer.

• het corrigerende orgaan B in de toevoer.

Wijzig je de stand van afsluiter C, dan geeft dat een verstoring op het niveau.

Daardoor gaat de vlotter waaraan de vlotterstang is bevestigd, omhoog of omlaag. In de regelinrichting is de vlotterstang via een hefboom star verbonden met het corrigerende orgaan B. Evenredig met de niveauverandering van de vlotter wordt de stand van het corrigerende orgaan gewijzigd en wijzigt ook de toestromende hoeveelheid water. Hierdoor wordt het niveau -binnen grenzen- op de gewenste waarde gehouden.

228

Regeltheorie

Kenmerken van regelen Om de regelkring te beschrijven, kun je verschillende kenmerken van regelen beschrijven. Elk kenmerk heeft een eigen symbool. Zo staat: • x voor de grootheid die het proces regelt • y voor de grootheid die de correctie uitvoert • z voor een verstorende invloed op de waarde van te regelen procesgrootheid.

• xs voor de voor de procesgrootheid ingestelde/gewenste waarde aan.

• xi voor het proportionaliteitsgebied (proportionele band) Xp en het regelbereik Xh. • Yh voor de maximale verandering ten gevolge van het correceren.

• Zh voor de maximale verandering ten gevolge van de verstorende invloed.

Geregelde grootheid Het te regelen niveau in de bak in de afbeelding 'Niveauregeling' is de te regelen grootheid x. Het niveau in de bak blijft constant als de wegstromende hoeveelheid water gelijk is aan de hoeveelheid die toestroomt. Het niveau in de bak kun je regelen op voorwaarde dat de wegstromende hoeveelheid water meer is dan 0 dm3/s en minder is dan de toestromende hoeveelheid bij een volledig geopend corrigerend orgaan. De waarde xs stel je zo in dat het gewenste niveau precies bereikt wordt bij 50% van de wegstromende hoeveelheid water. Dat is 50% van de belasting. De hefboom in de niveauregeling ligt dan horizontaal.

Corrigerende grootheid Het corrigerende orgaan B (afsluiter) in de afbeelding 'Niveauregeling' beïnvloedt de hoeveelheid toegevoerd water. Hierbij is de minimale hoeveelheid 0 dm3/s als de doorstroomopening gesloten is. De maximale hoeveelheid is bepaald door de grootte van de opening en het beschikbare drukverschil. De stand van het corrigerende orgaan is in dit proces de corrigerende grootheid y.

Stoorinvloed Als je de handafsluiter C in de afvoer in de afbeelding 'Niveauregeling' verder sluit of opent en de toevoerdruk bij A blijft gelijk, dan neemt het niveau in de bak toe of af.

De verandering in de opening van afsluiter C heeft dus een verstorende invloed op het niveau in de bak. Een verstorende invloed op het te regelen proces duid je aan als z.

Een drukvariatie bij A in de niveauregeling verstoort ook het niveau. Immers als het proces in rust is en de toevoerdruk stijgt, dan neemt ook de hoeveelheid door het corrigerend orgaan toegevoerd water toe. Ook dan stijgt het niveau. Ook deze verstoring duid je aan als z.

Het is belangrijk om de verstorende invloeden op het proces goed te kennen en er goed op in te spelen.

© Kenteq

229

Proportionaliteitsgebied In het regelproces van de niveauregeling verandert de stand van de afsluiter evenredig met een door de vlotter gemeten niveauverandering. Een stijging of daling van het niveau onder invloed van een verstoring z kun je alleen corrigeren als de wegstromende hoeveelheid groter dan 0 dm3/s is en kleiner is dan de hoeveelheid die de afsluiter maximaal tot de bak kan toelaten.

Bij dit proces houd je dus het niveau op een ingestelde waarde. Hierbij is er tussen de uiterste standen van de afsluiter een evenwichtsituatie mogelijk. Om de kleinst mogelijke maximale afwijking te krijgen, breng je de afsluiter in de 50%-stand (y = 50%) als xi = xs. Om de stand van de afsluiter tussen de 0 en 100% te variëren, moet de gemeten waarde xi tussen een maximale en een minimale waarde variëren.

Dit gebied noem je het proportionaliteitsgebied of proportionele band en duid je aan als Xp. De relatie tussen deze twee grootheden is hier afgebeeld. De proportionele band wijzig je door het scharnierpunt te verplaatsen. Bij een verschuiving naar links wordt de proportionele band vergroot (lijn A). Het niveau moet immers meer stijgen of dalen om de stand van de afsluiter tussen 0 en 100% te laten variëren. Bij een verschuiving naar rechts wordt de proportionele band verkleind (lijn B). De hefboom tussen vlotter en afsluiter ligt horizontaal als het gemeten niveau gelijk is aan het ingestelde niveau.

Verschuif je in deze stand het scharnierpunt, dan wijzigt de 50%-stand van de afsluiter niet.

Relatie tussen geregelde grootheid x en corrigerende grootheid y

Dus steeds als de gemeten waarde gelijk is aan de ingestelde waarde, blijft de stand van de regelafsluiter 50%. Uit dit voorbeeld blijkt dat er een afwijking tussen xi en xs moet zijn om het corrigerende orgaan in een andere dan de 50% stand te krijgen. Dus anders gezegd: voor een nieuwe evenwichtsituatie, waarbij de wegstromende waterhoeveelheid bij C in de niveauregeling meer of minder is dan 50%, is altijd een afwijking tussen xi en xs noodzakelijk.

De instelling van de grootte van de proportionele band is bepalend voor de kwaliteit van regelen en is afhankelijk van proceseigenschappen.

230

Regeltheorie

Regelbereik Het regelbereik in het proces van de niveauregeling is de niveauverandering die, bij gelijkblijvende verstoringen, ontstaat als de afsluiter B van 0 naar 100% in stand verandert. In de situatie waarin de gemeten waarde xi.gelijk is aan de ingestelde waarde xs, is de opening van het corrigerende orgaan 50%. Wordt de opening bij afsluiter C in de niveauregeling vergroot, dan stroomt er meer water weg en het niveau daalt. De afsluiter in de toevoer gaat nu onder invloed van de regelinrichting verder open.

Relatie tussen corrigerende grootheid y en geregelde grootheid x

Er ontstaat een nieuw evenwicht bij een lager niveau, want de afsluiter gaat alleen meer dan 50% open als het niveau onder de ingestelde waarde komt. De standverandering Yh heeft bij een gelijkblijvende verstoring z invloed op het niveau.

Deze invloed noem je regelbereik Xh. De lijn geeft de relatie aan tussen het niveau (de geregelde grootheid) en de corrigerende grootheid.

Bij de niveauregeling is de verandering van het niveau niet evenredig met de verandering van de hoeveelheid wegstromend water. De niveauhoogte h is bepalend voor de hoeveelheid water, die door afsluiter C wegstroomt. Bij een turbulente stroming door de afsluiter is de bijbehorende volumestroom ∆qv,afvoer een functie die afhankelijk is van de niveauhoogte h. Je kunt de volgende formule gebruiken: Volumestroom

Dqv,afvoer = f ( Dh ) ∆q = volumestroom in m3/s f = functie van ∆h = hoogteverschil in m Bij 25% van het maximale niveau hmax- stroomt er nog 50% van qvmax weg. Het niveau neemt een evenwichtstand aan als de toestromende hoeveelheid gelijk is aan de wegstromende hoeveelheid. Daarom bepaalt de toestromende hoeveelheid de hoogte van het niveau. Dus: Dh = f(Dqv, toevoer 2).

© Kenteq

231

1.

12.2

Bij een niveauregeling is er een relatie tussen de hoeveelheid afgevoerde vloeistof en het niveau h. Schrijf de formule op en verklaar de formule.

Processchema regelinstallatie

Processchema installatie voor warmteopwekking en -distributie

Dit processchema kun je lezen zonder extra kennis van symbolen. Het geeft het proces weer van warmteopwekking en distributie.

Het processchema geeft de hydraulische schakelingen weer van een warmteopwekking met behulp van twee gasgestookte ketels. Twee groepen, een ongeregelde en een geregelde, distribueren de warmte naar de gebruikers. Veldapparatuur is met behulp van signaallijnen verbonden met de automatische regelaars. Op deze manier worden de regelkringen gevormd.

232

Regeltheorie

De tekenwijze van de hydraulische schakeling is volgens het watervalprincipe dat in ISSO-publicatie 44 is aangegeven.

Symbolen In de klimaatregeltechniek leg je de werking van een automatisch geregelde, bestuurde en beveiligde installatie vast in een processchema. Daarvoor worden symbolen toegepast.

Symbolen voor processchema

Š Kenteq

233

2.

12.3

Teken het processchema van een verwarmingsinstallatie bestaande uit een cvketel (gasgestookt toestel) en een radiatorgroep. De radiatorgroep is voorzien van een buitentemperatuurafhankelijke regeling.

Blokschema regeling In het blokschema van een regelkring zie je de samenhang van de elementen in een regelkring. Een blokschema is een schematische voorstelling van een proces door functionele blokken (rechthoeken). De blokken stellen de onderdelen voor van een automatische regelkring met bepaalde eigenschappen. De onderdelen worden verbonden door lijnen met pijlen, die de richting van de signalen weergeven. Ieder blok geeft een functie weer, zoals bijvoorbeeld regelen, corrigeren en meten. Je kunt ook meerdere functies in een blok combineren, bijvoorbeeld door de regelkring op te splitsen in twee blokken: het proces en de regelinrichting.

Opbouw blokschema

Processchema luchtverwarmingsregeling

Gegeven is een processchema van een luchttemperatuurregeling. Deze regeling kun je goed beschrijven met een blokschema.

234

Regeltheorie

In het regelproces wordt de luchttemperatuur na een verwarmer geregeld op 20 °C. Dit gebeurt door bij een stijgende temperatuur bij de opnemer TE via een aansturing van de servomotor de regelafsluiter verder te sluiten. Daardoor geeft de verwarmer minder warmte af. De temperatuur achter de verwarmer wordt beïnvloed, doordat de buitenluchttemperatuur wijzigt of doordat de aanvoerwatertemperatuur naar de regelafsluiter wijzigt. Ook kan het drukverschil tussen de aanvoer- en retouraansluiting van het warme water veranderen. Daardoor stroomt er bij een gelijkblijvende opening van de regelafsluiter toch meer of minder water door de luchtverwarmer en beïnvloedt dit de warmteafgifte.

Het hele regelproces kun je duidelijk weergeven met het blokschema.

Blokschema regelkring

In het blokschema wordt in het sommeerpunt van de automatische regelaar TC de door opnemer TE gemeten waarde vergeleken met de ingestelde waarde van 20 °C. De berekende afwijking xw is het ingangssignaal voor de regelfunctie. Afhankelijk van de gekozen functie en de ingestelde parameters,bepaalt de regelfunctie het uitgangssignaal. Het uitgangssignaal van de regelaar is het stuursignaal voor het bedienend element. Dat is in dit voorbeeld de servomotor die op zijn beurt het corrigerend element (de regelafsluiter) aanstuurt. Het bedienend element en het corrigerend element vormen samen het corrigerende orgaan.

Van het corrigerend element (de regelafsluiter) is het uitgangssignaal een verandering in de opening van de regelafsluiter. Dit signaal komt aan de ingang van het proces en beïnvloedt de hoeveelheid water die door de luchtverwarmer stroomt en de mate waarin lucht opgewarmd wordt. De stoorinvloeden z2 en z3, het drukverschil en de aanvoerwatertemperatuur beïnvloeden de overdrachtsfactor van het proces. Bij een verandering van het drukverschil of de aanvoertemperatuur, wijzigt de verandering van de luchttemperatuur bij een gelijke verandering van het ingangssignaal.

In het sommeerpunt na het proces wordt de invloed van de verstoring z1 (de buitentemperatuur) vergeleken met de correctie die de luchtverwarmer heeft uitgevoerd met behulp van de waterstroomverandering. Het resultaat is een nieuwe waarde van de geregelde grootheid (de luchttemperatuur) die met behulp van de meetopnemer wordt teruggekoppeld naar het sommeerpunt in de automatische regelaar.

© Kenteq

235

Het maken van blokschema's Wanneer je een blokschema maakt, moet je er rekening mee houden dat een blok een ingang en een uitgang heeft. De ingang is het resultaat van een berekening in een sommeerpunt of een uitgangssignaal van een ander blok. De overdrachtsfactor van een blok heeft de volgende verhouding: Verhouding overdrachtsfactor

Duitgang Dingang ∆uitgang = uitgangssignaal ∆ingang = ingangssignaal

Overdracht van een blok Je kunt een onderscheid maken tussen: • de dynamische overdracht van een blok • de statische overdracht van een blok.

Dynamische overdracht Bij de dynamische overdracht van een blok speelt de factor tijd een belangrijke rol. Je geeft deze aan met de letter H. Statische overdracht De statische overdrachtsfactor van een blok geef je aan met de letter K. Zie afbeelding, je ziet een regelafsluiter in een regelproces.

Overdracht in een blok, de regelafsluiter

Het ingangssignaal y is dan de beweging van de spindel veroorzaakt door het uitgangssignaal van het bedienend element, bijvoorbeeld een servomotor. kv-waarde De uitgang van een blok is de verandering van de doorstroomopening van de afsluiter, aangeduid als kv-waarde. De overdrachtsfactor K is nu de volgende verhouding: Overdrachtsfactor K

K=

kv y

Deze is vastgelegd met de grondkarakteristiek van een regelafsluiter. Er zijn blokken die met elkaar verbonden zijn en die ieder hun eigen overdrachtsfactor hebben. In dat geval wordt het uitgangssignaal bepaald door het product van beide overdrachtsfactoren.

236

Regeltheorie

De gemeten waarde Bij het meten van een fysische grootheid kun je de gemeten waarde xi op twee verschillende manieren bepalen. Het meetorgaan voor het meten van de temperatuur in de afbeelding heeft één overdrachtsfunctie. Bij een temperatuurmeting gebruik je meestal een temperatuurgevoelige elektrische weerstand. De weerstand hiervan is een maat voor de gemeten temperatuur en is direct bruikbaar als xi om deze te vergelijken met de ingestelde waarde.

Blokschema meetorgaan voor temperatuur

Overdrachtsfactor K

K=

DW Dq

K = overdrachtsfactor DW = weerstandsverandering in Ohm (W) Dq = temperatuurverandering in Kelvin (K) Hierbij is de weerstandsverandering DW afhankelijk van het gekozen meetelement.

3.

12.4

Wat is het gevolg als de gemeten waarde afwijkt van de ingestelde waarde?

Meetorgaan Een meetorgaan waarmee je andere fysische grootheden meet, bestaat uit twee delen. Dat zijn: • de opnemer • het meetelement.

De opnemer Bij de opnemer van het meetorgaan bepaalt de fysische grootheid het ingangssignaal.

Het uitgangssignaal is een kracht of een beweging. Het uitgangssignaal van de opnemer vormt het ingangssignaal voor het tweede deel: het meetelement.

© Kenteq

237

Het meetelement Het meetelement van het meetorgaan vertaalt de kracht of de beweging in een signaal dat de automatische regelaar begrijpt. Dat signaal kan elektrisch zijn of anderszins.

De signalen worden omgezet in de meetorganen die actief zijn, hulpenergie gebruiken en een gestandaardiseerd uitgangssignaal hebben.

Voorbeeld

Blokschema voor meetorgaan voor druk

Het meetorgaan geeft een eenheidsignaal van bijvoorbeeld 0-20 mA af over een bepaald meetbereik, bijvoorbeeld 0-100 kPa. De overdrachtsfactor K van het meetorgaan in dit voorbeeld is:

20 mA 1 mA = 100 kPa 5 kPa Signaalleren en sommeerpunten

Sommeerpunt en verdeelpunt van signalen

In deel A van de afbeelding 'Sommeerpunt en verdeelpunt van signalen' zie je een sommeerpunt, waar signalen worden opgeteld. Hier is het de vergelijking tussen de ingestelde waarde xs en gemeten waarde xi. Omdat het hier gaat om het verschil tussen de ingestelde waarde en de gemeten waarde krijgt deze laatste een minteken.

In deel B zie je hoe een signaal gesplitst wordt in twee gelijkwaardige signalen.

BeĂŻnvloeding overdracht Een verstoring kan op twee manieren inwerken op het proces dat je moet regelen. In het te regelen proces van een luchtverwarmingsregeling kan de overdrachtsfactor van het proces worden verstoord, doordat het drukverschil over de regelafsluiter verandert. Daardoor stroomt er meer of minder water door eenzelfde opening (kvwaarde) van de regelafsluiter. Ook kan de aanvoerwatertemperatuur wijzigen of verandert de doorstromende luchthoeveelheid.

De verstoringen beĂŻnvloeden de overdrachtsfactor K en hiermee het uitgangssignaal naar het vergelijkingspunt. Bij een gelijkblijvende buitentemperatuur z2 verandert de gemeten temperatuur xi en moet een correctie plaatsvinden. Deze stoorinvloeden moet je in het blokschema aangeven, zoals z1.

238

Regeltheorie

Invloed van verstoring z In de afbeelding zie je de invloed van verstoring z. Als de temperatuur van de buitenlucht z2 verandert, dan wijzigt niet de overdrachtsfactor van het proces maar wel het resultaat van de vergelijking. Dan wordt ook de gemeten temperatuur verstoord en moet er ook een correctie plaatsvinden. De verandering van de buitentemperatuur heeft dus invloed op het vergelijkingspunt en niet op de overdrachtsfunctie.

12.5

Invloed van verstoring z

Regelkring Een belangrijk kenmerk van het blokschema is dat het gaat om een regelkring. De signalen vormen een gesloten kring. Het resultaat van de correctie, die het gevolg was van een afwijking tussen de gemeten en gewenste waarde, wordt weer teruggekoppeld en vergeleken met de ingestelde waarde. Door deze terugkoppeling wordt de afwijking bij een juist ingestelde regeling verkleind.

Regelen en sturen Gegeven is een processchema. Als de temperatuuropnemer TE in het processchema vóór de luchtverwarmer wordt geplaatst, dan ontstaat er een andere manier van het constant houden van de gewenste temperatuur na de luchtverwarmer.

Deze manier van regelen noem je sturen of voorwaarts regelen.

Processchema van sturing voor constant houden van luchttemperatuur

Voorwaarts regelen Bij voorwaarts regelen meet je niet de te regelen grootheid, maar de stoorinvloed(en) z, die er voor zorgt dat er een afwijking van de constant gewenste procesgrootheid ontstaat.

In het processchema van sturing voor het constant houden van luchttemperatuur wordt de temperatuur van de lucht voor de verwarmer gemeten. Stel dat de temperatuur van deze lucht -10 °C is. De regelafsluiter staat open. De luchtverwarmer kan bij volle doorstroming een temperatuurverhoging leveren van 30 K. In dat geval is de luchttemperatuur achter de luchtverwarmer 20 °C. Wordt de luchttemperatuur voor de luchtverwarmer 20 °C, dan is alleen bij een gesloten regelafsluiter de luchttemperatuur achter de luchtverwarmer ook 20 °C. Door de stand van de regelafsluiter onder invloed van TE tussen 0 en 100% open te sturen, blijft de temperatuur achter de luchtverwarmer onder bepaalde voorwaarden constant. Deze voorwaarden zijn:

© Kenteq

239

• Er moet een lineair verband bestaan tussen het signaal uit de regelaar en de temperatuurverhoging.

• Er mogen geen andere verstoringen de te regelen temperatuur beïnvloeden.

Invloed verstoring z op temperatuurverhoging De temperatuur achter de luchtverwarmer blijft onder invloed van de meting van de buitenluchttemperatuur en is dus alleen constant als de hierboven beschreven relatie juist is. In de praktijk is deze lijn niet zo recht als is aangegeven. Dat komt omdat meerdere verstoringen invloed hebben op de temperatuurverhoging. Denk maar eens aan drukverschilveranderingen over de regelafsluiter, wijziging in de verplaatste luchthoeveelheid enz. Als echter de intredetemperatuur de grootste storende invloed is, blijft de temperatuur achter de verwarmer redelijk constant.

Invloed verstoring z op temperatuurverhoging door luchtverwarmer

Blokschema van een voorwaartsregeling

Blokschema van een voorwaartsregeling

Er is een duidelijk verschil tussen een blokschema van een voorwaartsregeling en het blokschema van een regelkring. In het blokschema van een regelkring is er een duidelijke terugkoppeling van de correctie die is gedaan. In dit blokschema vindt er geen terugkoppeling van de correctie plaats.

12.6

Opbouw regelkring In het blokschema van een regelkring splits je de regelkring in twee delen: • de regelinrichting • het proces.

240

Regeltheorie

Vereenvoudigd blokschema van een regelkring

Overdrachtsfactor regelinrichting De regelinrichting is voor te stellen als een blok met een in- en een uitgang. De ingang is de gemeten waarde van de geregelde grootheid x en het uitgangssignaal is de corrigerende grootheid y.

De relatie tussen het in- en uitgangssignaal noem je de overdrachtsfactor van de regelinrichting Kr. In formulevorm is dit: Overdrachtsfactor regelinrichting Kr

Kr =

Dy Dx

Kr = overdrachtsfactor Dy = corrigerende grootheid Dx = geregelde grootheid Als de overdrachtsfactor over het hele proportionaliteitsgebied constant is dan geldt: Overdrachtsfactor proportionaliteitsgebied

Kr =

Yh Xp

Kr = overdrachtsfactor Yh = 100% verandering corrigerend orgaan Xp = ingestelde proportionele band Uit de tweede formule blijkt dat de overdrachtsfactor van de regelinrichting wordt bepaald door de ingestelde proportionele band Xp. Yh geeft immers de 100% verandering van het corrigerend element weer en die is niet instelbaar.

Š Kenteq

241

Grafische voorstelling overdrachtsfactor regelinrichting

12.7

Kenmerken van het regelproces Je kunt processen onderscheiden in: • zelfregelende processen • niet-zelfregelende processen.

zelfregulerend proces

niet-zelfregulerend proces

Niveauregelingen

Zelfregulerend proces Bij een zelfregulerend proces bepaalt de hoogte van het niveau in de bak de hoeveelheid water die door de afsluiter C wegstroomt.

Als in dit proces een verstoring optreedt, omdat afsluiter C verder open- of dichtgedraaid wordt, dan daalt of stijgt het niveau tot die hoogte die nodig is om dezelfde hoeveelheid water weg te doen stromen als die wordt toegevoerd.

242

Regeltheorie

Niet-zelfregulerend proces Bij een niet-zelfregulerend proces pompt de pomp een hoeveelheid water weg onafhankelijk van de hoogte van het niveau.

Als de pomp in dit proces meer of minder water wegpompt dan er wordt toegevoerd, dan daalt of stijgt het niveau en kan de bak leeglopen of overstromen.

Responsie Het verschil in responsie (reactie) op een stapverstoring is in de afbeelding grafisch weergegeven.

Lijn A is de responsie van een nietzelfregelend proces, waarbij de geregelde grootheid naar de maximale of minimale waarde gaat. Bij het niveauregelen van het water betekent dit de bak vol of leeg is. Lijn B is de responsie van een zelfregelend proces. Hierbij neemt de geregelde grootheid bij een verstoring een nieuwe waarde aan. Bij het niveauregelen van het water stijgt of daalt het niveau zoveel als nodig om de wegstromende hoeveelheid gelijk te doen zijn aan de toestromende hoeveelheid.

Responsie op verstoring dz van een proces

Processen in de klimaatregeltechniek zijn merendeels zelfregelende processen.

Statische overdrachtsfactor proces Je kunt het proces voorstellen als een blok met een in- en een uitgang. De ingang is de corrigerende grootheid y en de uitgang is de geregelde grootheid x. De relatie tussen het in- en uitgangssignaal noem je de overdrachtsfactor van het proces Kp. In formulevorm is dit: Overdrachtsfactor proces Kp

Kp =

Dx Dy

Kp = overdrachtsfactor proces Dx = geregelde grootheid Dy = corrigerende grootheid Als de overdrachtsfactor over het hele regelbereik constant is, dan geldt: Overdrachtsfactor constant regelbereik

Kp=

Š Kenteq

Xh Yh

243

In de praktijk verloopt de geregelde grootheid x meestal niet volgens de rechte lijn A, zoals je op de afbeelding ziet. Als het om een niveauregeling gaat, verloopt de geregelde grootheid x volgens lijn B en als het om een luchttemperatuurregeling gaat volgens lijn C.

Grafische voorstelling van de overdrachtsfactor van het proces

Statische versterkingsfactor regelkring De regelinrichting en het proces vormen samen een signaal met als doel om een afwijking xw, die veroorzaakt is door stoorinvloeden z tegen te gaan.

Het product van de overdrachtsfactor van de regelinrichting Kr en van het proces Kp noem je de versterkingsfactor van de regelkring met het symbool V. Het is een versterking van een rondgaand signaal, want het resultaat van de versterking wordt teruggekoppeld. Je spreekt daarom van de rondgaande versterking VO. In formulevorm is dit: Rondgaande versterking Vo

Vo = Kr ´ Kp =

Dy Dx ´ Dx Dy

Vo = rondgaande versterkingsfactor Kr = overdrachtsfactor Kp = overdrachtsfactor proces Dy = corrigerende grootheid Dx = geregelde grootheid

Invloed rondgaande versterking in statisch beschouwd procesgedrag Wat is de invloed van de rondgaande versterking op het regelgedrag van het proces?

Je kijkt dan naar het statisch regelgedrag van een regelkring.

Bekijk je het statisch regelgedrag van een proces, dan laat je de factor tijd dus buiten beschouwing.

244

Regeltheorie

Luchttemperatuurregeling

Een voorbeeld hiervan is de luchttemperatuurregeling. De temperatuur moet worden geregeld op 20 °C. De ingestelde proportionele band Xp is 30 K. Dat is de temperatuurverandering die nodig is om het uitgangssignaal van de regelinrichting Yh te doen veranderen. Het uitgangssignaal van het proces is de luchttemperatuurverandering na de luchtverwarmer. Dit signaal is lineair met het ingangssignaal y. Over de hele verandering Yh is de maximale temperatuurverandering Xh = 30 K. In de grafiek zijn de grafieken van de overdrachtsfactor van de regelinrichting en het proces samengevoegd. De grafiek van de overdrachtsfactor van de regelinrichting is 90° gedraaid, zodat het uitgangssignaal y de basis van de grafiek vormt. De lijnen van de overdrachtsfactor van de regelinrichting Kr en van de overdrachtsfactor van het proces Kp snijden elkaar bij het punt y = 50%.

Grafische voorstelling van te regelen grootheid in een proces met rondgaande versterking

Š Kenteq

245

Kritische slingering

Te regelen grootheid in proces met rondgaande versterking 1 en veranderde stoorinvloed z

Hoe moet je hierbij de regelinrichting in evenwicht brengen? Omdat de ingestelde waarde 20 °C is, moet de oorsprong van de lijn (de temperatuur voor de luchtverwarmer) van het proces bij 5 °C liggen. Immers als de regelafsluiter in de 50% stand staat, is de temperatuurverhoging die de luchtverwarmer levert 15 K. Dan is de temperatuur na de luchtverwarmer gelijk aan de ingestelde waarde, 20 °C. De ingestelde waarde xs is gelijk aan de gemeten waarde xi. Daarom kun je aannemen dat bij een buitentemperatuur van 5 °C de verstoring Dz 0 K is. De grootte van Xp en Xh zijn bekend: beide zijn 30 K. De rondgaande versterking Vo kun je dus met deze formule berekenen:

Vo = Kr ´ Kp =

100% 30 K Yh Xh Dy Dx = × = = =1 ´ 30 K 100% Xp Yh Dx Dy

De rondgaande versterking Vo = 1 Stijgt de temperatuur voor de luchtverwarmer naar 11 °C, dan is er een verstoring Dz van 6 K. De proceslijn schuift dan parallel aan 6 K naar boven. Blijft de regelafsluiter in de 50% stand staan, dan stijgt de luchttemperatuur na de verwarmer naar 26 °C. Het verschil tussen de gewenste en gemeten waarde wordt 6 K. In de regelinrichting leidt dit tot een vermindering van het uitgangssignaal y van 6 K / 30 K = 20%. De regelafsluiter krijgt dan de stand 30% en bij deze 30% stand hoort een temperatuurverhoging van 0,3 × 30 K = 9 K. Dus als de regelafsluiter in de 30% stand staat bij de nieuwe buitentemperatuur van 11 °C, wordt de temperatuur achter de luchtverwarmer 20 °C.

246

Regeltheorie

Te regelen grootheid in proces met verschillende rondgaande versterking en veranderde stoorinvloed z.

Bij proces A is Vo < 1 en proces B > 1

In de grafiek zie je een grafische weergave hiervan. Je ziet dat de Xp instelling met een Vo van 1 leidt tot een continu rondgaande beweging (kritische slingering) met een temperatuurvariatie van 6 K. In deel A is de overdrachtsfactor van de regelinrichting verkleind door vergroting van de proportionele band.

Door de vergroting van de proportionele band met 40% van 30 K naar 42 K is de rondgaande versterking van de regelkring verkleind tot:

Vo =

100% 30 K Yh Xh Ă&#x2014; = Ă&#x2014; = 0, 71 42 K 100% Xp Yh

In de grafiek van deel A komt de regeling na een aantal schommelingen in een nieuwe evenwichtstand tot rust. Hierbij is er wel een verschil tussen de gemeten en de ingestelde waarde. De afwijking xw is echter kleiner dan dat er niet geregeld zou zijn.

In deel B zie je grafisch weergegeven wat er gebeurt als de proportionele band wordt verkleind en daardoor de versterkingsfactor wordt vergroot. De corrigerende grootheid beweegt zich dan tussen uiterste waarden.

Afwijkverhouding Wanneer bij de instellingen een evenwichtssituatie is bereikt (deel A), kun je de grootte van de afwijking xw berekenen. Voor een regelkring kun je gebruik maken van de volgende vergelijking:

Š Kenteq

247

Afwijkverhouding

Dz = Xw ´ Vo = Xw Þ Dz = Xw (1 + Vo ) Þ

Xw Dz

=

1 1 + Vo

Dz = regelafwijking zonder regelactie Xw = regelafwijking na regelactie Vo = rondgaande versterkingsfactor Voor een proportionele regeling geldt: Als bij een verstoring niet wordt geregeld, treedt een afwijking Dz op. Als er wel geregeld wordt, is de afwijking Xw. De verhouding Xw wordt de afwijkverhouding genoemd.

Dz Voor de regelkring met de instellingen van deel A, waarbij een evenwichtssituatie is bereikt, met de versterkingsfactor 0,71 is de afwijkverhouding: 1 : (1 + 0,71) = 0,58.

Zonder de regeling is de afwijking 6 K en met de regeling is de afwijking 0,58 × 6 K = 3,48 K. Hierdoor is de gemeten waarde xi in de rusttoestand dus 20 °C + 3,48 K = 23,48 °C. Invloed tijd op regelproces Wat is de invloed van de factor tijd op het gedrag van een te regelen proces?

De tijd is een factor, die bijna niet weg te denken is bij het regelen van processen.

Ieder te regelen proces heeft kenmerken die met tijd te maken hebben. De factor tijd moet je kunnen beoordelen om de regelbaarheid van het proces te kunnen vaststellen.

Tijdconstante De tijdconstante tc is bepalend voor de tijd die nodig is om een element, bijvoorbeeld de thermometer, in temperatuur te doen stijgen van een temperatuur q0 naar een temperatuur q1.

Temperatuurmeting

De snelheid waarmee de temperatuur stijgt, hangt af van de tijdconstante van de thermometer. Deze wordt bepaald met de formule: Tijdsconstante

tc =

C és ù U´A ë û

C = de warmtecapaciteit van de thermometer J/K U = de warmtedoorgangscoëfficiënt van de thermometer W/ (m2.K) A = is het oppervlak dat wordt verwarmd m2

248

Regeltheorie

De tijdconstante tc geeft de tijd aan, die nodig is om de temperatuur in de thermometer van q0 naar q1 te doen stijgen als het temperatuurverschil tussen vloeistof en thermometer constant zou blijven. Echter naarmate de temperatuur in de thermometer stijgt, wordt het temperatuurverschil kleiner en daardoor de warmteoverdracht geringer. Hierdoor neemt de snelheid van de temperatuurstijging af en de werkelijke temperatuurstijging verloopt volgens een e-macht.

Tijdconstante tc van thermometer

Je ziet een grafische weergave van de tijdconstante. De kromme lijn is het verloop van de temperatuur in de thermometer in relatie tot de verstreken tijd.

Dit verloop volgens een e-macht is bepaald met de formule: Gemeten temperatuur t æ ö q = q 0 + (q 1 - q 0 ) ´ ç1 + et c ÷ ç ÷ è ø

q = gemeten temperatuur in K q0 = aanvangstemperatuur in °C q1 = eindtemperatuur in °C e = grondtal van de natuurlijke logaritme 2,72 t = verstreken tijd in sec c = tijdconstante in sec In de praktijk kun je aannemen dat de eindwaarde wordt bereikt na 5 × tc.

© Kenteq

249

4.

Beschrijf het begrip tijdconstante en licht met een grafische voorstelling je antwoord toe.

Dode tijd Bij het regelen speelt naast de tijdconstante nog een tijdsfactor een belangrijke rol: de dode tijd. Een dode tijd ontstaat in processen waar tijd nodig is om een optredende verandering te verplaatsen naar het punt waar deze verandering gemeten wordt. De dode tijd noem je daarom ook wel transporttijd.

Temperatuurregeling met lange (A) en korte (B) dode tijd

250

Regeltheorie

Je ziet twee luchttemperatuurregelingen. De luchttemperatuur achter de verwarmer wordt op 20 °C geregeld door de stand van de regelafsluiter RA te wijzigen als er een afwijking is van de ingestelde temperatuur. Door deze standverandering van RA verandert de watertemperatuur bij punt M. Bij regeling A is de afstand tussen het mengpunt M en de meetopnemer TE groter dan bij regeling B. Het duurt bij regeling A dus langer voordat de temperatuuropnemer een standverandering van RA opmerkt.

De tijd die nodig is om de temperatuurverandering van punt M naar de meetopnemer te doen veranderen, heet transporttijd of dode tijd. Dode tijd td omdat in deze tijd de regeling geen reactie kan geven. Tijdens de dode tijd wordt er wel warmer water verplaatst, alleen in het te regelen proces wordt dat niet opgemerkt.

Grafische weergave proces met en zonder dode tijd td en één tijdconstante tc

Hier is aangegeven welke invloed de dode tijd td heeft in een proces met één tijdconstante tc (= eerste orde proces). Na een geconstateerde afwijking xw op het tijdstip to verandert de stand van regelafsluiter RA. De temperatuurstijging bij de temperatuuropnemer begint echter na de vertraging td.

5.

© Kenteq

Door welke factoren wordt in een proces de dode tijd bepaald? Geef een voorbeeld van de dode tijd in een cv-installatie.

251

Wachttijd en vereffeningstijd Een te regelen proces in de klimaatregeltechniek met alleen één dode tijd en/of één tijdconstante kom je bijna nooit tegen. Een te regelen proces is opgebouwd uit meerdere componenten met ieder hun eigen tijdconstante en dode tijd. Op de afbeelding is een praktisch voorbeeld van een te regelen proces met meerdere tijdconstanten weergegeven.

Luchttemperatuurregeling

Responsie hoger ordeproces na stapverandering

Responsie hoger ordeproces na stapverandering

In het proces is de werkwijze voor het verkrijgen van de juiste temperatuur als volgt: de regelafsluiter wordt als gevolg van een afwijking xw verder open gestuurd. Het water stijgt in temperatuur en wordt naar de luchtverwarmer getransporteerd. Daarna stijgt de luchtverwarmer in temperatuur door het warmere water. De luchtverwarmer zorgt voor een temperatuurstijging van de lucht. De warmere lucht wordt getransporteerd naar de meetopnemer die de temperatuurstijging terugmeldt aan de regelaar.

Dit proces heeft een responsie op de afwijking xw. De afwijking is het gevolg van alle in het proces optredende tijdconstanten en dode tijden. Deze responsie is op de afbeelding 'Responsie hoger ordeproces na stapverandering' weergegeven.

252

Regeltheorie

Responsie De responsie die is ontstaan, is te verdelen in: • De vertragingstijd, die ontstaan is door de som van de transporttijden (dode tijden) • De vertragingstijd als gevolg van een aantal in volgorde werkende tijdconstanten.

Wachttijd De dode tijd en de vertragingstijd van elkaar opvolgende tijdconstanten worden bij elkaar gevoegd en deze noem je de wachttijd, aangeduid met tw.

Vereffeningstijd De tijd die nodig is voor het stijgen van het signaal noem je vereffeningstijd en duid je aan met tv.

Totale wachttijd In een proces met meer dan een tijdconstante ontstaat een responsie met een wachttijd tw en een vereffeningstijd tv. Is er in dit proces ook sprake van dode tijd td dan vormt deze tijd, samen met de eerder genoemde wachttijd, de totale wachttijd tw.

Invloed dode tijd Wat is de invloed van de dode tijd td op het gedrag van het te regelen proces?

Regelen is het uitvoeren van een correctie Dy, die een afwijking xw tegengaat. De afwijking ontstaat door een verstoring of een wijziging van het instelpunt.

Als in een proces alleen dode tijd td voorkomt, dan is de verandering van de geregelde grootheid op dezelfde manier voor te stellen als bij de statische beschouwing van het procesgedrag. De reactie van dit gedrag is weergegeven in de afbeelding. Bij de statische beschouwing van de rondgaande versterking kun je concluderen dat na een verstoring de regeling alleen in evenwicht komt als de rondgaande versterking < 1 is. Een proces met alleen dode tijd komt ook alleen in evenwicht als de versterkingsfactor < 1 is. Het gedrag van het te regelen proces is dan gelijk aan het gedrag bij de statische overdrachtsfactor van het proces. Echter de reactie op een verstoring komt vertraagd na het verlopen van de dode tijd en de regeling kent een periodetijd van tweemaal td.

Grafische weergave gedrag van proces met alleen dode tijd td © Kenteq

253

Invloed tijdconstante Wat is de invloed van de tijdconstante tc op het gedrag van het te regelen proces?

Onder invloed van de tijdconstante komt het proces ook bij een rondgaande versterking > 1 in rust.

Eerste orde-proces Een proces met één tijdconstante heet een eerste orde-proces (bij een wiskundige afleiding wordt dit proces met een differentiaalvergelijking van de eerste orde beschreven). Bij een proces met alleen één tijdconstante, verandert het uitgangssignaal niet als een stap maar volgens een e-macht. Na circa vijf maal de tijdconstante wordt de eindwaarde, bepaald door de versterkingsfactor van de regelkring, bereikt. Omdat in het proces geen dode tijd aanwezig is, wordt bij een reactie op een afwijking xw een verandering van het uitgangssignaal direct zonder vertraging teruggekoppeld naar het vergelijkingspunt. Daardoor neemt xw af. Het uitgangssignaal kan onder invloed van de tijdconstante niet groter worden dan een afwijking xw. Er kan dus geen instabiele situatie optreden.

Responsie proces met één tijdconstante

De rondgaande versterking Vo kan een grote waarde hebben, theoretisch 8, zonder dat de regeling in slingering raakt.

Hogere orde-proces Een proces met meerdere tijdconstanten noem je een hogere orde-proces (bij een wiskundige afleiding wordt dit proces met een differentiaalvergelijking van een hogere orde beschreven).

In een hogere orde-proces spelen wachttijd en vereffeningstijd een rol. Als de wachttijd groot is in verhouding tot de vereffeningstijd, dan gedraagt het proces zich als een proces met alleen een dode tijd. Is deze verhouding omgekeerd, dan kun je een grote rondgaande versterking instellen.

254

Regeltheorie

Moeilijkheidsgraad proces De verhouding tussen de wachttijd en de vereffeningstijd is de moeilijkheidsgraad l (labda) van het te regelen proces. In de praktijk mag de toelaatbare rondgaande versterking van een regelkring V0toel. gelijk zijn met 1/l. Of anders gezegd: Votoel. is de vereffeningstijd gedeeld door de wachttijd.

Deze temperatuurregeling is een voorbeeld van regelgedrag van een hogere orde-proces.

Luchttemperatuurregeling hogere orde-proces

Blokschema verandering klepstand y in gemeten temperatuur

Op de afbeelding zie je het blokschema met deze verandering van klepstand.

Het bestaat uit meerdere componenten die ieder hun eigen tijdconstante hebben.

De volgorde hiervan staat in het blokschema.

12.8

Vormen van regelen Bij het regelen van een proces komen twee vormen voor: â&#x20AC;˘ een continue correctie â&#x20AC;˘ een discontinue correctie.

Bij de discontinue correctie verandert het corrigerend y-signaal bij een afwijking tussen de gemeten en de ingestelde waarde, in stappen bijvoorbeeld 0-I of 0-I-II. Bij een continue correctie verandert het y-signaal tussen de 0 en 100%, waarbij iedere tussenwaarde mogelijk is. Beide vormen komen in de praktijk voor.

Discontinu regelen Er is sprake van discontinu regelen als het uitgangssignaal y van de regelinrichting bij een afwijking tussen de gewenste en gemeten waarde in stappen verandert. Een veel toegepaste vorm hiervan is de twee-standenregelaar, ook wel aan-uit of opendichtregelaar genoemd.

Š Kenteq

255

Twee-standenregelaar Bij een twee-standenregelaar verandert het uitgangssignaal in een 0 of een 100% signaal als de gemeten waarde xi wijzigt ten opzichte van de ingestelde waarde xs.

De verandering die de geregelde grootheid moet doorlopen om het signaal van 0 tot 100% te doen veranderen, noem je de schakeldifferentie xd.

Grafiek twee-standen regelfunctie

De tweestanden regelfunctie pas je toe bij processen met een kleine moeilijkheidsgraad, bijvoorbeeld een voorraadboiler.

Ook bij een regelproces dat geen correctiemogelijkheid tussen 0 en 100% heeft, bijvoorbeeld een verwarmingsketel, is het stuursignaal 0 of 100% of anders gezegd aan-uit.

Een twee-standenregelaar kun je gebruiken bij processen met een kleine moeilijkheidsgraad.

Temperatuurschommeling twee-standenregeling De temperatuurschommeling bij een twee-standenregeling wordt bepaald door: • de moeilijkheidsgraad van het te regelen proces • het regelbereik Xh • de schakeldifferentie van de regelaar.

De grootte van de schakeldifferentie xd is minder bepalend voor de grootte van de temperatuurschommeling dan de grootte van de moeilijkheidsgraad.

Twee-standenregelaar met terugkoppeling (tijd-proportioneel) Processen, die niet tussen de 0 en 100% gecorrigeerd kunnen worden, kun je toch nauwkeurig regelen. Aan de twee-standenregeling is dan een proportionele component toegevoegd. Deze component geeft de verhouding weer tussen in- en uitgeschakeld zijn.

Bij een tijdproportionele functie is er sprake van een periodeduur en die bestaat uit een inschakelduur en een uitschakelduur. De periodeduur wordt bepaald op basis van het te regelen proces bijvoorbeeld de minimaal toegestane schakelfrequentie en de vereffeningstijd van het proces. Bij een ruimtetemperatuurregeling in een woning met een ketel met aan-uitregeling is de periodetijd circa 10 minuten.

256

Regeltheorie

Grafische weergave tijdproportionele functie

In de afbeelding is er sprake van een proportionele band Xp, een ingestelde waarde xs en een gemeten waarde xi. De inschakelduur is 50% van de periodeduur als de gemeten waarde gelijk is aan de ingestelde waarde. Daalt de gemeten waarde met 25% van de proportionele band, dan wordt de inschakelduur 75% van de periodeduur.

Stijgt de gemeten waarde, dan neemt de inschakelduur evenredig af.

De criteria om de proportionele band vast te stellen worden hier ook bepaald door het regelbereik Xh en de moeilijkheidsgraad l van het te regelen proces.

Continu regelen Bij de continu werkende regelfunctie kan het uitgangssignaal y iedere stand tussen de 0 en de 100% aannemen als de regeling in evenwicht is.

Automatisch werkende continue regelaars kunnen zijn uitgevoerd met of zonder hulpenergie. In de meest moderne vorm zijn het digitaal uitgevoerde regelfuncties die analoge uitgangen van automatiseringsstations aansturen.

12.9

Regelfuncties Voor het continu regelen van processen worden de volgende regelfuncties alleen of in combinatie toegepast: • P-functie • I-functie • D-functie.

P-functie

Proportionele (P) regelfunctie

© Kenteq

257

In de P-functie staat de P voor proportioneel. Bij een P-functie verandert het uitgangssignaal y evenredig met de grootte van de afwijking xw.

I-functie

Integrerende (I) regelfunctie

In de I-functie staat de I voor integrerend. Bij een I-functie wordt de snelheid, waarmee het uitgangssignaal y verandert, bepaald door de grootte van de afwijking xw.

D-functie

DifferentiĂŤrende (D) regelfunctie

In de D-functie staat de D voor differentiĂŤrend. Bij een D-functie krijgt het uitgangssignaal y een stapverandering evenredig met de snelheid waarmee de afwijking xw wijzigt.

Proportionele regelfunctie

Niveauregeling met mechanische P-regelaar

258

Regeltheorie

Op de afbeelding is een niveauregeling gegeven met een proportionele regelfunctie.

De regelaar is uitgevoerd als een mechanische regelaar. Je noemt dit ook wel de Pregelaar. Het bedienend element is een stelcilinder die bestuurd wordt via een stuureenheid. Het corrigerend element is een schuifafsluiter.

In de automatische regelaar stel je de gewenste waarde xs in met behulp van een schroefmechanisme. Daarmee wordt de meetstang, die verbonden is met de vlotter, verlengd of verkort. De proportionele band Xp kan ingesteld worden door de stang CD naar links of naar rechts te verplaatsen. De hefbomen AC en EF liggen horizontaal als de gemeten waarde xi gelijk is aan de ingestelde waarde xs. Het corrigerend element staat dan in de 50% stand.

Werking P-regelaar

P-regelaar in evenwichtstoestand bij stand corrigerend orgaan < 50%

De werking van een P-regelaar in evenwichtstoestand bij stand corrigerend orgaan < 50%, is als volgt. De gemeten waarde stijgt, doordat de handafsluiter in de afvoer verder sluit. Hierdoor komt de vlotter omhoog en dus ook punt A. Daardoor draait de hefboom AC om het punt C en komt punt B omhoog evenals de zuigers in de stuureenheid. Nu wordt perslucht van 6 bar boven de zuiger van het bedienend element gebracht. Gelijktijdig kan de lucht onder de zuiger wegstromen omdat de zuiger in de stuureenheid niet meer voor de opening zit. Met de zuiger van het bedienend element, dat nu naar beneden gedrukt wordt, wordt ook de hefboom EF omlaag getrokken. Ook punt D en daarmee punt C gaan omlaag. De hefboom AC, die nu scharniert om punt A, komt omlaag en ook punt B komt omlaag. De openingen in de stuureenheid sluiten weer en het geheel is in een nieuwe evenwichtsituatie.

Š Kenteq

259

Uit de grafiek blijkt het volgende: het corrigerend orgaan neemt alleen een andere stand dan 50% in als de gemeten waarde met een waarde xw afwijkt van de ingestelde waarde. Hoeveel xw moet zijn, wordt bepaald door instelling van de proportionele band Xp. In de grafiek kun je aflezen dat als de gemeten waarde gelijk is aan de ingestelde waarde, de grootte van de proportionele band geen invloed heeft op de 50% stand van de regelafsluiter. Uit de werking van de P-regelaar blijkt dit ook.

Grafische voorstelling instelling proportionele band

Als immers de hefbomen AC en EF horizontaal staan, dan kan de verbindingsstang van links naar rechts verschoven worden zonder dat dat invloed heeft op punt B. Dus heeft het ook geen invloed op de stand van het corrigerende orgaan.

Voor- en nadelen van de proportionele regelfunctie De proportionele regelfunctie heeft als positieve eigenschap dat deze direct reageert op een afwijking tussen de gemeten en ingestelde waarde, dus snel reageert. Een negatieve eigenschap is dat er een afwijking tussen de gemeten en ingestelde waarde moet blijven bestaan om het corrigerende orgaan in een andere stand dan de stand 50% te krijgen. De afwijking, die moet bestaan tussen de gemeten en de ingestelde waarde wordt bepaald door de grootte van proportionele band. De proportionele band wordt bepaald door de toelaatbare versterkingsfactor van de regelkring. De proportionele band veroorzaakt bij een P-functie een afwijking die in een aantal processen niet gewenst is. Daarom wordt aan de P-functie een tweede functie toegevoegd en dat is de integrerende functie, de I-functie.

Integrerende regelfunctie Bij de integrerende regelfunctie heeft de factor tijd een grote invloed. Bij de I-functie verandert namelijk de snelheid waarmee het uitgangssignaal y toe- of afneemt evenredig met de afwijking van het ingangssignaal xw. Hier zie je een I-functie voor een mechanische regelaar en in formulevorm de daarbij behorende overdrachtsfactor.

I-functie mechanische regelaar

260

Regeltheorie

De werking van de mechanische I-functie is als volgt: Als het ingangssignaal xw toeof afneemt dan wordt de veer (1) ingedrukt of uitgetrokken. De veer oefent daardoor een kracht op de zuiger (3) uit. De kracht zorgt voor een druk boven of onder de zuiger in de cilinder (2). De boven- en onderzijde van de cilinder zijn verbonden door een leiding met een naaldafsluiter (4) erin. Afhankelijk van het drukverschil tussen de boven- en de onderzijde in de cilinder gaat er via de naaldafsluiter olie stromen en verplaatst de zuiger zich. De snelheid van verplaatsen, en dus de verandering van y, hangt af van de kracht die de veer uitoefent en de opening van de naaldafsluiter. De kracht op de veer wordt bepaald door xw. De factor Kr en de opening van de naaldafsluiter zijn bepalend voor de zogenaamde integratietijd ti. De formule in het blok van de overdrachtsfactor geeft de samenhang weer tussen de integratietijd, de regelafwijking xw en de verandering van het uitgangssignaal.

Differentiërende regelfunctie Bij de differentiërende regelfunctie is tijd de bepalende factor. De D-functie gebruik je om met een juiste reactie te kunnen reageren op de snelheid waarmee een verstoring in het proces optreedt. Bij een differentiërende functie is de snelheid waarmee het ingangssignaal xw verandert, bepalend voor de grootte van een stapverandering van het y-signaal. De D-functie wordt altijd samen met een P-functie toegepast. Op de afbeelding 'D-functie mechanische regelaar' zie je een D-functie voor een mechanische regelaar en in formulevorm de daarbij behorende overdrachtsfactor.

D-functie mechanische regelaar

Bij deze uitleg is er uitgegaan van een verandering in een richting van xw. De werking geldt echter zowel voor het indrukken als voor het uittrekken van de veer.

Bij de D-functie bepaalt de snelheid van veranderen van xw de grootte van de stapverandering van het y-signaal. Als het signaal xw op het tijdstip to begint te dalen dan gaan de zuiger en de cilinder gelijktijdig omlaag. Hierdoor maakt de uitgang y een stap Dy en wordt de veer ingeduwd. Echter door deze stapverandering wordt in de veer een kracht opgebouwd die de cilinder terug duwt en het uitgangssignaal weer in z’n oorspronkelijke stand terugbrengt. De stand van de naaldafsluiter en de kracht van de veer zijn bepalend voor de snelheid waarmee de olie verplaatst wordt van onder naar boven de zuiger. Hierdoor is de opening van de naaldafsluiter bepalend voor de differentiatietijd td. Als de opening klein is, moet bij een bepaalde snelheid van veranderen van xw de veer verder ingedrukt worden. Dit is onvermijdelijk omdat de snelheid, waarmee de zuiger zich verplaatst hetzelfde moet zijn als de snelheid van xw. Dus als td groot is, is bij een gelijkblijvende verandering van xw de stap Dy ook groot.

© Kenteq

261

De formule in het blok van de overdrachtsfactor geeft de samenhang weer tussen de differentiatietijd td, de regelafwijking xw en de verandering van het uitgangssignaal Dy. Proportioneel integrerende regelfunctie Een proportionele regelfunctie is een snelle regeling: deze corrigeert direct en evenredig met de afwijking tussen de gemeten en ingestelde waarde. Maar om bij een andere dan de 50% belasting het corrigerende orgaan in een ander stand te krijgen, moet je een afwijking van de ingestelde waarde voor lief nemen. Wanneer deze afwijking een te grote onnauwkeurigheid veroorzaakt, moet er op een andere manier geregeld worden. Een van die mogelijkheden is aan de P-functie de I-functie toevoegen. Dit heet een PI-functie.

Door de I-functie verdwijnt de statische afwijking, die kenmerkend is voor een Pfunctie. Een PI-functie blijft net zolang regelen totdat de gemeten waarde gelijk is aan de ingestelde waarde. Op de afbeelding 'Niveauregeling met mechanische PI-regelaar' zie je een regeling met een mechanische PI-regelaar.

Niveauregeling met mechanische PI-regelaar

PI-regelaar De PI-regelaar is bijna hetzelfde uitgevoerd als de mechanische P-regelaar. Het verschil is de toevoeging van het deel voor de I-functie. In de afbeelding zie je duidelijk dat de stang, die de stand van het corrigerend orgaan bepaalt niet meer star gekoppeld is aan de hefboom EF. Als de gemeten waarde gelijk is aan de ingestelde waarde dan liggen de hefbomen AC en EF horizontaal. Door de werking van de Ifunctie neemt het corrigerende orgaan dan de stand in die bij de heersende belasting hoort.

262

Regeltheorie

PI-regelaar in evenwichtstoestand bij stand corrigerend orgaan < 50%

Het I-deel werkt als volgt: Als van het I-deel de naaldafsluiter gesloten is (ti is oneindig), staat de zuiger in de cilinder vast. De olie kan zich immers niet verplaatsen.

De regelaar gedraagt zich dan als P-regelaar omdat de stang van het corrigerende orgaan nu star gekoppeld is aan de hefboom EF. De regelaar gedraagt zich dan bij een afwijking hetzelfde als de voorstelling in afbeelding 'Niveauregeling met mechanische P-regelaar'. Dus om een andere stand van het corrigerend orgaan dan 50% te krijgen, moet de gemeten waarde afwijken van de ingestelde waarde.

Wordt nu de naaldafsluiter geopend, dan gaat de I-functie zijn werk doen. Als de gemeten waarde stijgt, gaat de hefboom AC, die scharniert om punt C, bij A omhoog.

Hierdoor komt punt B omhoog en de zuigers in de stuureenheid worden verplaatst. Er wordt nu lucht boven de zuiger van het bedienende element gelaten. Onder de zuiger kan de lucht wegstromen, dus de zuiger gaat omlaag en de schuifafsluiter gaat sluiten. Omdat de stang van het corrigerende orgaan naar beneden gaat, wordt de zuiger omlaaggetrokken. De cilinder gaat ook mee omlaag maar trekt daarbij aan de hefboom EF. Hierdoor komt punt C omlaag en komt punt B weer in de stand waardoor de zuigers in de stuureenheid afsluiten en het corrigerende orgaan in een nieuwe stand in rust komt. Maar omdat punt E omlaag getrokken is, is ook de veer bij E uitgetrokken. Deze oefent een kracht uit op de cilinder. De naaldafsluiter is geopend waardoor de cilinder zich nu ten opzichte van de zuiger kan verplaatsen. Punt E komt weer omhoog met als gevolg dat punt B ook omhoog gaat en het corrigerende orgaan weer verder sluit. Punt E en punt B gaan weer omlaag. De regeling blijft nu net zolang aan het corrigeren totdat de hefbomen AC en EF horizontaal staan en er niet meer een kracht uitgeoefend wordt op de veer bij punt E. Zoals je op de afbeelding 'PI-regelaar in evenwichtstoestand bij stand corrigerend orgaan < 50%' ziet, heeft het corrigerende orgaan dan een stand ingenomen die hoort bij de belastingverandering.

De stand van de naaldafsluiter is bepalend voor de integratietijd. Deze wordt gedefinieerd bij een constant aanwezige afwijking xw. Als de regeling zijn werk doet, blijft in werkelijkheid de afwijking xw niet constant. De regeling is er juist op gericht deze afwijking weg te werken.

Š Kenteq

263

Integratietijd De integratietijd ti is de tijd die nodig is om bij een gelijkblijvende afwijking van de gemeten waarde xw, het uitgangssignaal onder invloed van de Ifunctie evenveel te wijzigen als dat eerder gebeurde onder invloed van de Pfunctie.

Grafische voorstelling integratietijd tii

PI-functie Bij een PI-functie blijft het uitgangssignaal net zolang veranderen totdat xw is weggewerkt. Dus als na het verstrijken van de integratietijd de afwijking xw nog bestaat, blijft het uitgangssignaal y verder toenemen. De integrerende werking versterkt de werking van de P-functie en is dus mede bepalend voor de rondgaande versterking V0. Daarom staat in de instelregels dat: • De integratietijd ti een waarde moet hebben, die minimaal 3,3 keer de wachttijd tw in het proces is.

• De P-band met 10% moet worden vergroot.

Als je de integratietijd korter instelt, dan wordt de rondgaande versterking vergroot.

Bovendien duurt het langer voordat de regeling in rust komt of zelfs dat de regeling in het instabiele gebied terechtkomt.

Toepassing van de PI-functie

De PI-functie heeft tot taak om even snel te corrigeren als een P-functie. En als de regeling in rust is, zorgt de P-functie ervoor dat de gemeten waarde gelijk is aan de ingestelde waarde. Omdat de integratietijd ti een waarde moet hebben die minimaal 3,3 keer de wachttijd in het proces is, komt de PI- functie het beste tot z’n recht bij processen met een wachttijd < 5 minuten.

Proportioneel differentiërende regelfunctie De proportionele regelfunctie geeft een snelle reactie bij een bepaalde afwijking xw.

Echter de reactie is altijd proportioneel met de grootte van de afwijking en niet afhankelijk van de snelheid waarmee de afwijking ontstaat. Bij bepaalde processen is dit wel gewenst. Door toevoeging van de D-functie wordt de grootte van het uitgangssignaal y wel afhankelijk van de snelheid waarmee het ingangssignaal verandert. Op de afbeelding 'Niveauregeling met mechanische PD-regelaar' wordt dat met behulp van een mechanische regelaar duidelijk gemaakt.

264

Regeltheorie

Niveauregeling met mechanische PD-regelaar

De werking van de regeling is bijna gelijk aan die van de P-regelaar. Aan de P-regelaar is nu de D-functie toegevoegd. De D-functie werkt niet als de naaldafsluiter een heel grote opening heeft en geen weerstand levert aan de olie, die van de onderzijde naar de bovenzijde van de zuiger moet stromen. Als het niveau in de bak stijgt dan scharniert de hefboom AC om punt C. Hierdoor verplaatsen de schuiven in de stuureenheid. Er stroomt lucht naar de bovenzijde van de zuiger in het bedienend element, terwijl lucht van de onderzijde ontsnapt. Doordat het corrigerende orgaan sluit, wordt punt E en dus de hefboom met punt F als scharnierpunt, omlaag getrokken. Punt D wordt omlaag getrokken. Daardoor wordt via de veer ook getrokken aan punt C. Omdat de zuiger in de cilinder van de D-functie geen weerstand ondervindt (naaldafsluiter staat open) komt punt C direct omlaag. Ook punt B en het corrigerende orgaan komen in rust.

De regeling functioneert precies hetzelfde als de regeling met alleen een P-functie.

Dus als de naaldafsluiter openstaat (td = 0), functioneert een PD-regelaar als Pregelaar. Maar als de naaldafsluiter wordt gesloten, dan ontstaat de volgende situatie.

Bij het stijgen van de gemeten waarde gaat het corrigerende orgaan weer verder dicht en trekt aan de hefboom EF. Punt D trekt nu weer via de veer aan punt C. De naaldafsluiter is echter dicht (ti = oneindig). De zuiger kan zich in de cilinder niet bewegen en punt C komt omlaag. Hierdoor blijft ook punt B op zijn plaats. Er komt dus steeds meer lucht boven de zuiger van het corrigerende orgaan, waardoor deze dus sluit. De standverandering van het corrigerende orgaan kan onder invloed van de D-functie (met td = oneindig) geen tegenkoppeling bieden. Daardoor gaat het corrigerende orgaan bij een afwijking xw alleen maar open of dicht.

Als de naaldafsluiter in de D-functie een bepaalde opening heeft, verloopt de tegenkoppeling van het corrigerende orgaan vertraagd. Als eerste reactie op een afwijking zal het corrigerende orgaan verder opengaan, dan wanneer alleen de Pfunctie in werking is. Bij een gelijkblijvende afwijking gaat de invloed van de D-functie terug naar nul en is de stand van het corrigerende orgaan uitsluitend bepaald door de ingestelde P-band. Š Kenteq

265

De D-functie is bedoeld om de snelheid van verandering van xw te kunnen vaststellen.

Daarom wordt de differentiatietijd ook gerelateerd aan een verandering van het ingangssignaal.

Differentiatietijd De differentiatietijd td is de tijd die nodig is om bij een gelijkblijvende verandering van de gemeten waarde xw het uitgangssignaal onder invloed van de P-functie evenveel te wijzigen als dat eerder gebeurde onder invloed van de D-functie. Op de afbeelding zie je het verloop van het y-signaal onder invloed van de D-functie.

Grafische voorstelling invloed differentiatietijd td

Bij A is het verloop na een stap xw en bij B verandert xw continu met een bepaalde snelheid. De definitie van de integratietijd is bij B weergegeven.

De differentiatietijdgeeft het uitgangssignaal y een bepaalde voorinstelling in afwachting van de proportionele werking. De werking van de D-functie mag daarom maar tijdelijk zijn. Als instelregel voor de differentiatietijd geldt: td = 0,5 Ă&#x2014; tw. Als de differentiatietijd te groot wordt ingesteld, heeft dit een ongunstige invloed op de stabiliteit van de regeling.

Toepassing van de PD-functie De toevoeging van de D-functie aan alleen de P-functie heeft in het vakgebied klimaatregelen niet veel betekenis. Immers de D-functie wordt ingezet om adequaat te kunnen reageren op snelle veranderingen. Voor snelle processen wordt meestal een PI-functie gekozen omdat dan de I-functie goed zijn werk kan doen bij het wegwerken van statische afwijking. Een combinatie van PID kan onder bepaalde omstandigheden goed functioneren. Dan moeten echter de proceskenmerken bekend zijn om de juiste regelparameters in te kunnen stellen.

266

Regeltheorie

Niveauregeling met mechanische PID-regelaar

In te stellen regelparameters In de tabel 'Instelregels' staan instelregels volgens Ziegler en Nichols. Deze kun je toepassen als bij een variërende overdrachtsfactor voor het regelbereik Xh = Kpmax 100% wordt aangenomen. ti

Regelfunctie

Xp

P

100% × Kp × l

PI

100% × Kp × 1,1 × l.

3,3 × tw

PID

100% × Kp × 0,85 × l.

2 × tw

td

0,5 × tw

Instelregels

© Kenteq

267

12.10

Samenvatting • Regelen houdt in dat je de waarde van een grootheid juist instelt. Om de regelkring te beschrijven, kun je verschillende kenmerken van regelen beschrijven: – geregelde grootheid x – corrigerende grootheid y – stoorinvloed z – proportionaliteitsgebied Xp –

regelbereik Xh

• Je legt de werking van een automatisch te regelen, besturen en beveiligen installatie vast in een processchema.

• Een blokschema geeft de samenhang van een regelkring weer. Het is een schematische voorstelling van een proces door blokken (rechthoeken). De blokken stellen de onderdelen voor van een automatische regelkring met bepaalde eigenschappen. De onderdelen worden verbonden door lijnen met pijlen, die de richting van de signalen weergeven. Ieder blok geeft een functie weer, zoals bijvoorbeeld regelen, corrigeren en meten.

• Bij sturen of voorwaarts regelen meet je niet de te regelen grootheid, maar de stoorinvloed(en) z, die er voor zorgt dat er een afwijking van de constant gewenste procesgrootheid ontstaat.

• De regelrking in een blokschema bestaat uit twee delen: – de regelinrichting – het proces.

• Je kunt processen onderscheiden in: – zelfregelende processen – niet-zelfregelende processen.

• Ieder te regelen proces heeft kenmerken die met tijd te maken hebben. Je moet de tijd beoordelen om de regelbaarheid van het proces vast te stellen.

De tijdconstante tc geeft de tijd aan, die nodig is om de temperatuur in de thermometer van q0 naar q1 te doen stijgen als het temperatuurverschil tussen vloeistof en thermometer constant zou blijven.

• Bij het regelen van een proces komen twee vormen voor: – een continue correctie Hier verandert het corrigerend y-signaal bij een afwijking tussen de gemeten en de ingestelde waarde, in stappen bijvoorbeeld 0-I of 0-I-II. – een discontinue correctie.

Hier verandert het y-signaal tussen de 0 en 100%, waarbij iedere tussenwaarde mogelijk is.

268

Regeltheorie

12.11

Antwoorden Antwoord 1 De formule luidt: ∆qv = f (√h). Het verschil van de afgevoerde vloeistof is een functie van de niveau hoogte h.

Antwoord 2 Zie de afbeelding 'Processchema installatie voor warmteopwekking en -distributie' maar dan met één cv-toestel (ketel).

Antwoord 3 Er is dan sprake van een verstoring. Er zal een correctie van het proces moeten plaatsvinden om het proces weer in balans te brengen.

Antwoord 4 De tijdconstante tc is de tijd die nodig is om het temperatuurverschil over het medium, bijvoorbeeld een radiator, de temperatuur en de ruimte op te warmen tot de gewenste temperatuur. Doordat de ∆T steeds kleiner wordt, zal de warmte-overdracht geringer worden. Het gedrag is volgens een grafische e-kromme. Het is een asymptotisch verloop. Een voorbeeld van een grafische weergave zie je op de afbeelding 'Tijdconstante tc van thermometer'.

Antwoord 5 De dode tijd ontstaat in het proces waar de tijd nodig is om de ontstane afwijking te herstellen op het punt waar de afwijking gemeten wordt. Voorbeeld: een ruimte opnemer constateert en temperatuurverlaging. De regeling treedt in werking en het cv-toestel wordt gestart. Het cv water wordt verwarmd en naar de radiatoren getransporteerd. De radiator zal de langs stromende lucht van de ruimte opwarmen.

Hier is sprake van diverse overdrachtsprocessen die vertragend zijn en dus tijd kosten.

© Kenteq

269

270

Regeltheorie