Regeltechniek 1 | TouchTech | ThiemeMeulenhoff by ThiemeMeulenhoff

mb o TOUCHTECH

TouchTech – Techniek die je raakt Dit boek is onderdeel van TouchTech, een complete modulaire methode voor mbo Techniek niveau 3 en 4. Dit standaardboek is opgebouwd uit een aantal opeenvolgende leereenheden van één vakgebied. TouchTech is in boekvorm, als boek OpMaat en digitaal beschikbaar. TouchTech heeft een breed aanbod van circa 400 leereenheden voor de vele vakgebieden in de elektrotechniek, werktuigkunde en mechatronica.

Regeltechniek 1

TOUCHTECH

Regeltechniek 1 LEERWERKBOEK

Het boek Regeltechniek 1 bevat zeven leereenheden die de theoretische basis geven voor proces- en regeltechniek, waaronder actuatoren, sensoren, regelaars en regelkarakteristiek.

LEERWERKBOEK NIVEAU 3&4

Learning by doing De serie TouchTech helpt de verbinding te maken tussen theorie en praktijk. Elke leereenheid start met kernvragen over het leerdoel, zodat je weet wat je gaat leren. Binnen elke leereenheid wordt beknopte theorie gekoppeld aan praktijkvoorbeelden. Na de theorie volgen korte verwerkings- en toepassingsopdrachten om de lesstof eigen te maken en de relatie met de praktijk te leggen. Anytime/anywhere Met deze nieuwe serie is de benodigde theorie anytime/anywhere beschikbaar. De theorie is beschikbaar in leereenheden op onderwerp, zodat je eenvoudig kunt beschikken over alleen de theorie die je op dat moment nodig hebt tijdens lessen, praktijkopdrachten en projecten. De leereenheden/onderwerpen zijn snel op te zoeken voor docent én student. Bewezen didactiek De didactische opbouw van elke leereenheid is gebaseerd op het zes-leerfasen model: na een introductie vanuit de praktijk volgt de theorie, verduidelijkt met praktijkvoorbeelden. In het tweede deel gaat de student aan de slag met verwerkingsvragen, toepassingsvragen en tenslotte de evaluatie en reflectie. Diversiteit aan leermiddelen TouchTech is leverbaar op papier of digitaal in een volgorde die jij wilt. De opzichzelfstaande leereenheden zijn samen te stellen tot maatwerkreaders, maar ook als standaardboek (leerwerkboek) met vaste volgorde per vakgebied te bestellen. Digitaal is de methode als licentie beschikbaar voor scholen, waarbij de docent zelf een curriculum kan samenstellen uit het brede aanbod van leereenheden. TouchTech bevat leereenheden die onder andere geschikt zijn voor de kwalificaties: - Middenkader Engineering - Elektrotechnische installaties - Mechatronica - Human Technology - Werktuigkundige installaties

Auteur: A. de Bruin Eindredactie: J. Gerrits

9 789006 701449

9789006701449_Omslag.indd All Pages

5/05/20 09:49

TouchTech Regeltechniek 1.indb 174

5/05/20 09:46

â&#x20AC;&#x201A;

Regeltechniek 1

TouchTech Regeltechniek 1.indb 1

TOUCHTECH

5/05/20 09:44

Colofon Over ThiemeMeulenhoff ThiemeMeulenhoff ontwikkelt zich van educatieve uitgeverij tot een learning design company. We brengen content, leerontwerp en technologie samen. Met onze groeiende expertise, ervaring en leeroplossingen zijn we een partner voor scholen bij het vernieuwen en verbeteren van onderwijs. Zo kunnen we samen beter recht doen aan de verschillen tussen lerenden en scholen en ervoor zorgen dat leren steeds persoonlijker, effectiever en efficienter wordt. Samen leren vernieuwen. www.thiememeulenhoff.nl ISBN 978 90 06 70144 9 1e druk, 1e oplage, 2020 � ThiemeMeulenhoff, Amersfoort, 2020

Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen, of enig andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever. Voor zover het maken van kopieën uit deze uitgave is toegestaan op grond van artikel 16B Auteurswet 1912 j° het Besluit van 23 augustus 1985, Stbl. 471 en artikel 17 Auteurswet 1912, dient men de daarvoor wettelijk verschuldigde vergoedingen te voldoen aan Stichting Publicatie- en Reproductierechten Organisatie (PRO), Postbus 3060, 2130 KB Hoofddorp (www.stichting-pro.nl). Voor het overnemen van gedeelte(n) uit deze uitgave in bloemlezingen, readers en andere compilatiewerken (artikel 16 Auteurswet) dient men zich tot de uitgever te wenden. Voor meer informatie over het gebruik van muziek, film en het maken van kopieen in het onderwijs zie www.auteursrechtenonderwijs.nl. De uitgever heeft ernaar gestreefd de auteursrechten te regelen volgens de wettelijke bepalingen. Degenen die desondanks menen zekere rechten te kunnen doen gelden, kunnen zich alsnog tot de uitgever wenden.

Deze uitgave is volledig CO2-neutraal geproduceerd. Het voor deze uitgave gebruikte papier is voorzien van het FSC®-keurmerk. Dit betekent dat de bosbouw op een verantwoorde wijze heeft plaatsgevonden.

TouchTech Regeltechniek 1.indb 2

5/05/20 09:44

Inhoudsopgave 1 RTE01 Inleiding automatiseren

Introductie 8 Theorie 9 Kernvragen 9 Geautomatiseerde processen 9 Besturingssystemen 12 Regelsystemen 17 Signalen in een geautomatiseerd systeem 18 Samenvatting 20 Video 20 Begrippen 21 Theorieopdrachten 22 Opdrachten uit de praktijk 24 Evaluatie en reflectie 27 Checklist 27 Zelftoets 27

2 RTE02 Regelkringen

Introductie 30 Theorie 31 Kernvragen 31 Open en gesloten systemen 31 Opbouw van een regelkring 33 Instellen van een regelkring 34 Processchema’s 35 Samenvatting 37 Video 37 Begrippen 37 Theorieopdrachten 38 Opdrachten uit de praktijk 40 Evaluatie en reflectie 44 Checklist 44 Zelftoets 44

3 RTE03 Proces- en regelaarkarakteristiek

Introductie 50 Theorie 51 Kernvragen 51 Karakteristieken 51 Statisch gedrag van een proces 51 Statisch gedrag van de regelaar 55 De gesloten regelkring 58 Samenvatting 60 Video 61 Begrippen 61 Theorieopdrachten 62 Opdrachten uit de praktijk 64 Evaluatie en reflectie 70 Checklist 70 Zelftoets 70

TouchTech Regeltechniek 1.indb 3

5/05/20 09:44

4 RTE04 Regelaars

Introductie 80 Theorie 81 Kernvragen 81 Opbouw van een regelaar 81 De proportionele functie 83 Indirect werkende proportionele regelaar 84 Direct werkende proportionele regelaar 88 Programmeren van een regelaar 89 Samenvatting 92 Video 93 Begrippen 93 Theorieopdrachten 94 Opdrachten uit de praktijk 96 Evaluatie en reflectie 102 Checklist 102 Zelftoets 102

5 RTE05 Dynamisch gedrag van een proces

107

Introductie 108 Theorie 109 Kernvragen 109 Vastleggen van dynamisch procesgedrag 109 Versterking of verzwakking in een proces 110 Processen met een looptijd 110 Nulde-ordeprocessen 111 Eerste-ordeprocessen 111 Hogere-ordeprocessen 115 Parameters 115 Samenvatting 116 Video 116 Begrippen 116 Theorieopdrachten 118 Opdrachten uit de praktijk 119 Evaluatie en reflectie 122 Checklist 122 Zelftoets 122

6 RTE06 Actuatoren in de regeltechniek

125

Introductie 126 Theorie 127 Kernvragen 127 Actuatoren 127 Elektromechanische actuatoren 128 Elektronische actuatoren 128 Mechanische actuatoren 134 Samenvatting 137 Video 137 Begrippen 138 Theorieopdrachten 139 Opdrachten uit de praktijk 140 Evaluatie en reflectie 144 Checklist 144 Zelftoets 145

TouchTech Regeltechniek 1.indb 4

5/05/20 09:44

7 RTE07â&#x20AC;&#x201A; Sensoren in de regeltechniek

149

Introductie 150 Theorie 151 Kernvragen 151 Sensoren 151 Temperatuurmetingen 151 Drukmetingen 155 Doorstromingsmetingen 157 Hoogtemetingen 160 Capacitieve hoogtemeting 161 Samenvatting 163 Video 164 Begrippen 164 Theorieopdrachten 166 Opdrachten uit de praktijk 167 Evaluatie en reflectie 169 Checklist 169 Zelftoets 170

TouchTech Regeltechniek 1.indb 5

175

5/05/20 09:44

TouchTech Regeltechniek 1.indb 6

5/05/20 09:44

RTE01

Inleiding automatiseren

Auteur A. de Bruin Eindredactie J. Gerrits

v1.0

TouchTech Regeltechniek 1.indb 7

5/05/20 09:44

RTE01 Inleiding automatiseren Introductie

Introductie Geautomatiseerde systemen in de supermarkt Een systeem bestaat uit componenten (deelsystemen) die samen één geheel vormen. Je kunt een supermarkt zien als een systeem met verschillende deelsystemen:

• • • •

logistiek systeem (aanleveren, opslaan en verplaatsen van artikelen); financieel systeem (inkopen, prijzen en verkopen); informatiesysteem (klantkoopgedrag analyseren en aanbiedingen verwerken); bevoorradingsysteem (artikelen bijbestellen).

Een deelsysteem van de supermarkt kan geautomatiseerd zijn. Dat wil zeggen dat het werkt zonder menselijke tussenkomst. De kassa is bijvoorbeeld gekoppeld aan een bevoorradingssysteem, dat door middel van barcodeverwerking verkochte artikelen bijbestelt. Elk systeem heeft een systeemomgeving. Die bestaat uit elementen die geen deel uitmaken van het systeem, maar het wel kunnen beïnvloeden. Tot de systeemomgeving van de supermarkt behoren bijvoorbeeld: de bevolking, de warenwet en de economie. De systeemomgeving kan grote gevolgen hebben voor het systeem. Denk in dit geval maar aan de gevolgen van het uitbreken van de varkenspest voor de verkoop van varkensvlees in de supermarkt.

Figuur 1 Kassa’s in een supermarkt (Bron: Shutterstock)

Oriënterende vraag

•

Bij welk deelsysteem horen de kassa’s in een supermarkt?

TouchTech Regeltechniek 1.indb 8

5/05/20 09:44

RTE01 Inleiding automatiseren Theorie

Theorie Kernvragen • Hoe kun je systemen, deelsystemen en processen analyseren, beschrijven en • • •

visualiseren? Wat zijn de verschillen tussen besturingssystemen en regelsystemen? Uit welke onderdelen bestaat een PLC en hoe programmeer je hem? Welke signalen kom je tegen in een automatiseringsomgeving?

Geautomatiseerde processen Automatiseren van bedrijfsprocessen wil zeggen: een bedrijfsactiviteit uitvoeren zonder menselijke tussenkomst, bijvoorbeeld met behulp van een computer. In de industrie vind je veel voorbeelden van activiteiten waarbij gebruik wordt gemaakt van automatisering. Ook veel andere activiteiten in de maatschappij maken op de een of andere manier gebruik van automatiseringstechnieken. Zo zou de ontwikkeling van de ruimtevaart niet mogelijk zijn geweest zonder automatisering. En ook in de medische wereld is automatisering onmisbaar, denk maar eens aan hartlongmachines en beademingsapparatuur.

Figuur 2 Logistiek bedrijf waarin automatisering voorkomt (Bron: Shutterstock)

Als je een systeem gaat automatiseren krijg je al heel snel te maken krijgt met deelsystemen, bijvoorbeeld:

• • • • • •

vervoersystemen (trein, bus); logistieke systemen (containerterminal, bevoorrading); financiële systemen (betalingsverkeer bij banken); informatiesystemen bij banken (klanten, hypotheken); computersystemen (pc, supercomputers bij universiteiten); aandrijfsystemen (voortstuwing van schepen).

TouchTech Regeltechniek 1.indb 9

5/05/20 09:44

RTE01 Inleiding automatiseren Theorie

In een systeem vinden verschillende processen plaats. Een proces is een opeenvolging van activiteiten. Het inkoopproces van een supermarkt is daarvan een voorbeeld. De inkoper kiest een leverancier en bestelt artikelen, bijvoorbeeld zuivelproducten. De leverancier kiest een vervoerder die de artikelen aflevert bij de supermarkt. De leidinggevende van de supermarkt controleert of de levering volgens de bestelling is uitgevoerd. Deze processen zijn niet allemaal geautomatiseerd. Zo worden de artikelen met vrachtauto's naar de supermarkt gebracht. Het besturen van een vrachtauto is een proces, maar (nog) geen geautomatiseerd proces. Het afrekenen van de goederen bij een kassa is wel geautomatiseerd. De artikelen worden met een barcodelezer gescand. De computer koppelt de code van een artikel aan de prijs en geeft dit door aan de kassa. Nadat de klant heeft gepind, gebeurt de betaling geautomatiseerd.

Figuur 3â&#x20AC;&#x201A; Scannen en afrekenen van artikelenâ&#x20AC;&#x201A; (Bron: Shutterstock)

Bij een geautomatiseerd systeem gaat het steeds om dezelfde basisprincipes. Een proces wordt aangestuurd door een besturingseenheid. Deze besturingseenheid krijgt informatie uit het proces (proceswaarden). Deze informatie wordt vervolgens door de software in de besturingseenheid verwerkt, waarna het resultaat wordt doorgegeven aan het proces.

TouchTech Regeltechniek 1.indb 10

5/05/20 09:44

RTE01 Inleiding automatiseren Theorie

besturingseenheid

Figuur 4 Blokschema van een geautomatiseerd systeem (Bron: A. de Bruin)

Bij een systeem voor verkeerssignalering komen in de detectielussen de proceswaarden (of ingangsvariabelen) tot stand: ze meten het aantal voertuigen en vaak ook hun snelheid. Deze informatie gaat naar de besturingseenheid, die de matrixborden (actuatoren) boven de weg activeert. De automobilisten kunnen nu hun snelheid aanpassen. Het proces is in dit geval het verkeer op de weg, waarvan de snelheid door middel van signalering wordt gecorrigeerd. Naast het meten van de snelheid kan dit systeem ook controleren of de snelheidslimiet wordt overschreden. Is dat het geval, dan registreert het systeem het kenteken en genereert een computer de bijbehorende bekeuring.

Figuur 5 Verkeerssignalering en controle (Bron: rws)

Je kunt geautomatiseerde systemen verdelen in besturingssystemen en regelsystemen. 11

TouchTech Regeltechniek 1.indb 11

5/05/20 09:44

RTE01 Inleiding automatiseren Theorie

Praktijkvoorbeeld: De verwarmingsinstallatie Een bekend geautomatiseerd systeem is de verwarmingsinstallatie van een woonhuis. In de te verwarmen ruimte meet een sensor (thermostaat) de ruimtetemperatuur. De besturingseenheid van de cv-ketel of warmtepomp vergelijkt de ruimtetemperatuur met de ingestelde temperatuur. Afhankelijk van het verschil tussen deze twee waarden schakelt de besturingseenheid de verwarming aan of uit. Ook de systeemomgeving beïnvloedt dit systeem, denk bijvoorbeeld aan de buitentemperatuur.

Figuur 6a Verwarmingsinstallaties: Buitenunit van een warmtepomp (Bron: Shutterstock)

Figuur 6b Verwarmingsinstallaties: Cv-ketel en ventilatielucht warmtepomp (Bron: nefit-bosch.nl)

Besturingssystemen Bij een besturingssysteem gaat het vaak om de verwerking van digitale (binaire) signalen. Denk bijvoorbeeld aan systemen voor de besturing van:

• • • • •

verkeerslichten scheepvaartsluizen beweegbare bruggen rioolgemalen pompinstallaties 12

TouchTech Regeltechniek 1.indb 12

5/05/20 09:44

RTE01 Inleiding automatiseren Theorie

PLC’s Bij industriële besturingssystemen wordt vaak een PLC (Programmable Logic Controller) gebruikt als besturingseenheid. De PLC vormt ‘het hart’ van de installatie. De sensoren zijn op de ingangen van de PLC aangesloten en de actuatoren (relais, kleppen en signaleringen) op de uitgangen.

Figuur 7 Programmable Logic Controllers (PLC) (Bron: schneider.de/new.ABB.com)

Een PLC heeft een modulaire opbouw en bestaat uit:

• • • •

een Central Processing Unit (CPU); verschillende soorten geheugen (memory); een invoermodule (input module); een uitvoermodule (output module).

uitvoer module

invoer module geheugen

Figuur 8 Blokschema van een PLC (Bron: A. de Bruin)

CPU De CPU vormt het hart van de PLC. Dit onderdeel voert de opdrachten (instructies) uit die in het geheugen zijn opgeslagen.

TouchTech Regeltechniek 1.indb 13

5/05/20 09:44

RTE01 Inleiding automatiseren Theorie

Geheugen Het programma wordt opgeslagen in het niet-vluchtig geheugen of Read Only Memory (ROM) van de PLC. Dit staat ook bekend als het programmageheugen. Data die wordt ingelezen tijdens het uitvoeren van het programma, wordt tijdelijk opgeslagen in het vluchtig geheugen of Random Access Memory (RAM) van de PLC.

In- en voermodules De in- en uitvoermodules worden meestal aangeduid als I/O-modules. Hierop zijn de in- en uitgangssignalen fysiek aanwezig. Elke in- en uitgang heeft een uniek hardwareadres. De in- en uitvoermodules zijn galvanisch gescheiden van de CPU en het geheugen. Galvanisch gescheiden betekent dat er geen stroomdoorgang mogelijk is tussen de in- en uitgangen.

PLC-programma Een PLC verwerkt de binaire signalen van een besturingsprogramma. Het besturingsprogramma wordt ontwikkeld op een pc of tablet, in een simulatieomgeving getest en gedownload in de PLC.

Figuur 9 Ontwerpen en downloaden van een PLC-programma (Bron: A. de Bruin)

Het ontwerpen van een programma verloopt bij de meeste PLC’s volgens de norm IEC 61131-3. In deze norm zijn onder andere de programmeertalen vastgelegd. Grafische programmeertalen:

• • •

Ladderdiagram (LD) Function Block Diagram (FBD) Sequential Function Chart (SFC)

Tekstuele programmeertalen:

• •

Instruction List (IL) Structured Tekst (ST)

TouchTech Regeltechniek 1.indb 14

5/05/20 09:44

RTE01 Inleiding automatiseren Theorie

Grafische programmeertalen worden vaak gecombineerd toegepast. Dat geldt niet voor tekstuele programmeertalen.

Figuur 10 PLC-programma in LD en deels in FBD (Bron: A. de Bruin)

Microcontrollers Bij kleine geautomatiseerde systemen, zoals een magnetron, televisie, videocamera, of afstandsbediening, worden microcontrollers toegepast als besturingseenheid. Een microcontroller is een complete computer in één geïntegreerde schakeling (IC) op een Printed Circuit Board (PCB).

Figuur 11 Microcontrollers (Bron: microchip.com)

TouchTech Regeltechniek 1.indb 15

5/05/20 09:44

RTE01 Inleiding automatiseren Theorie

Een microcontroller heeft dezelfde opbouw als een computer en bestaat uit de volgende onderdelen:

• • • •

CPU geheugen I/O-blok databus, adresbus en controlbus

geheugen

Figuur 12 Blokschema van een microcontroller (Bron: A. de Bruin)

CPU De CPU haalt de instructie op uit het geheugen, decodeert de instructie en voert deze uit. Daarnaast verzendt de CPU de besturingssignalen naar het geheugenblok en het I/O blok.

Geheugen Het geheugen bevat de instructies en de data die hiervoor nodig zijn. Via het I/O-blok kan de CPU de in- en uitvoer van gegevens verzorgen. De oscillator zorgt voor de kloksignalen.

I/O blok Via het I/O-blok is de CPU met de buitenwereld verbonden. Daardoor kan hij gegevens inlezen (Invoer) en naar de buitenwereld schrijven (Uitvoer). Omdat het accent bij een microcontroller ligt op de besturing in een apparaat, is de I/O vaak uitgebreider dan bij een computer. Het programmageheugen (ROM) is vaak beperkt. De CPU bevat een beperkte instructieset. Bekende microcontrollers zijn de 80C51 van Philips en de F83 of F84-serie van Microchip.

Databus, adresbus en controlbus De uitwisseling van data tussen de CPU, het geheugen en het I/O-blok vindt plaats via de databus. De juiste locatie van de data wordt via de adresbus doorgegeven. De controlbus bevat de besturingslijnen waarmee de CPU aan het geheugen en de I/O doorgeeft welke acties nodig zijn, zoals:

• • • •

data wegschrijven naar het geheugen (memory write); data uit het geheugen lezen (memory read); data naar het I/O-blok sturen (I/O write); data lezen van het I/O-blok (I/O read).

Het besturingsprogramma voor de microcontroller wordt op een pc, laptop of tablet ontwikkeld en daarna gedownload naar het geheugen van de microcontroller.

TouchTech Regeltechniek 1.indb 16

5/05/20 09:44

RTE01 Inleiding automatiseren Theorie

Praktijkvoorbeeld: PLC’s koppelen in een netwerk Als een geautomatiseerd systeem veel PLC's bevat, worden deze vaak in een netwerk opgenomen. Met behulp van het softwarepakket SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) kun je het hele proces visualiseren (procesvisualisatie). Het nadeel van zo'n samengesteld systeem is dat een software ontwerper (engineer) kennis moet hebben van diverse softwarepakketten. Daarnaast is zo'n systeem minder flexibel. Modificaties kunnen tot hoge kosten leiden omdat een PLC + pc + SCADA vaak geen gebruik maakt van standaard softwarepakketten.

Figuur 13 Operators bekijken gevisualiseerde processen. (Bron: new.abb.com)

Regelsystemen Bij een regelsysteem gaat het meestal om het verwerken van analoge signalen. Regelsystemen worden bijvoorbeeld gebruikt bij het verwarmen van woningen en bij het raffineren van ruwe aardolie. Bij dit soort processen is het beheersen van de temperatuur of de druk essentieel. Een analoge sensor (NTC, PTC) meet de temperatuur in °C en zet de gemeten waarde om in een elektrisch signaal. De gemeten waarde of proceswaarde X wordt door middel van een sommator vergeleken met de gewenste waarde of ingestelde waarde W. Bij een verschil tussen deze twee vindt er een corrigerende actie plaats om het weg te werken. Daarvoor heb je een regelaar nodig. Een regelkring in de industrie is meestal zeer geavanceerd. Daarvoor gebruik je speciale industriële regelaars, waarop je naast regelfuncties ook alarmeringen kunt instellen, bijvoorbeeld bij een hoog of een laag niveau van een proceswaarde.

Figuur 14 Industriële regelaars (Bron: West Control Solutions / PMA Kassel)

TouchTech Regeltechniek 1.indb 17

5/05/20 09:44

RTE01 Inleiding automatiseren Theorie

Praktijkvoorbeeld: De verwarmingsinstallatie als regelsysteem Een verwarmingsinstallatie zet toegevoerde energie (vaak in de vorm van gas) om in warmte. De door de thermostaat gemeten temperatuur is de proceswaarde X . Deze wordt vergeleken met de ingestelde waarde W. Is de gemeten waarde te laag, dan wordt er een signaal naar het cv-toestel gestuurd om de temperatuur van het water in de radiator via de warmtewisselaar te verhogen. De thermostaat is in deze regelkring de regelaar. In de thermostaat zit een vergelijkingsorgaan dat ingestelde waarde W vergelijkt met de gemeten waarde X.

Figuur 15 Regelkring van een verwarmingsinstallatie (Bron: Nefit, radson en eberle)

Signalen in een geautomatiseerd systeem In een geautomatiseerd systeem komen twee typen signalen voor:

• •

besturingssignalen informatiesignalen

Een besturingssignaal geeft opdrachten van de besturingseenheid door aan de actuatoren. Een informatiesignaal komt van sensoren die (onder andere) de proceswaarden meten. De software van de besturingseenheid verwerkt de informatie en geeft een deel van de informatie door aan de gebruiker. Zo meldt de software bijvoorbeeld aan de gebruiker dat de ingestelde temperatuur is bereikt of de tank vol is. Beide typen signalen kunnen zowel analoog als digitaal zijn. In een geautomatiseerd systeem worden standaard analoge signalen gebruikt. Bijvoorbeeld:

• • •

bij stroomsturing: 4-20 mA (4 mA komt overeen met 0%, 20 mA komt overeen met 100%); bij spanningssturing: 0-10 V of 2-10 V; bij druksturing: 20-100 kPa.

Als een standaard signaal niet bij nul begint, noem je het een live-zero signaal. Bij stroomsturing is het live-zero signaal 4 mA. Als het signaal in een automatiseringsinstallatie kleiner is dan 4 mA, betekent dit dat er een storing is opgetreden. Ook een kabelbreuk wordt op deze manier direct herkend. Als je sensoren en actuatoren op de conventionele manier aansluit, dus iedere functie met een aparte kabel, ontstaat er een zeer uitgebreide bekabeling. Daarom worden sensoren en actuatoren die digitale informatie verwerken meestal via een bussysteem (een I/O-systeem) verbonden in een netwerk.

TouchTech Regeltechniek 1.indb 18

5/05/20 09:44

RTE01 Inleiding automatiseren Theorie

Figuur 16 Koppeling van sensoren via een bussysteem (Bron: Bihl Wiedemann)

Een sensor kan rechtstreeks op een kabel worden aangesloten of via een slave. Op een slave kunnen meerdere sensoren worden aangesloten via een connector. Dit gebeurt via een speciale kabel die de sensoren ook van voeding (24 VDC) voorziet. Iedere aansluiting heeft via zijn interface een uniek adres. Uitbreiding van een bestaand systeem is eenvoudig te realiseren: nieuwe aansluitingen krijgen een uniek adres en een unieke functie (sensor of actuator) toegewezen. Door een bussysteem (zie figuur 16) toe te passen zal de hoeveelheid bekabeling sterk verminderen. In plaats van aparte kabels voor iedere sensor zitten alle sensoren nu op één kabel. Het bussysteem dat men bij sensoren en actuatoren toepast is de ASI-bus (Actuator Sensor Interface-bus).

Praktijkvoorbeeld: Netwerk in een automatiseringsomgeving Om een groot aantal sensoren en actuatoren aan te sluiten, gebruik je in de praktijk vaak een I/O-systeem. Dit I/O-systeem verbindt:

• •

de geautomatiseerde systemen onderling; de I/O-modules, waarop de bekabeling van de sensoren en actuatoren samenkomen (in een I/O rack).

De I/O-modules hebben vaak eigen microprocessoren, die voorbewerkingsfuncties kunnen uitvoeren. Zo kan een binnenkomend signaal worden gefilterd voordat het aan het netwerk wordt doorgegeven. Ook kan er een correctie worden toegepast op het signaal dat door een sensor wordt afgegeven, bijvoorbeeld als het gemeten signaal niet lineair is met de werkelijke gemeten waarde.

Figuur 17 Netwerk in een automatiseringsomgeving (Bron: Allen-Bradley)

TouchTech Regeltechniek 1.indb 19

5/05/20 09:44

RTE01 Inleiding automatiseren Theorie

Samenvatting Een geautomatiseerd systeem kan uit meerdere deelsystemen bestaan. Een deelsysteem kan weer uit meerdere deelsystemen bestaan die elkaar onderling kunnen beïnvloeden. In een geautomatiseerd systeem worden Programmable Logic Controllers (PLC’s) en microcontrollers gebruikt als besturingseenheid. Er zijn in een geautomatiseerd systeem twee soorten signalen:

• •

besturingssignalen informatiesignalen

Besturings- en informatiesignalen kunnen zowel analoog als digitaal zijn. Standaard analoge signalen in een geautomatiseerd systeem zijn:

• • •

bij stroomsturing: 4-20 mA; bij spanningssturing: 0-10 V of 2-10 V; bij druksturing: 20-100 kPa.

Een bussysteem reduceert de bekabeling en kan eenvoudig worden uitgebreid.

Video Bekijk de video over het automatiseren van een productieproces: https://qr.linktm.nl/purl-978. Bekijk de video over het werk van een Service engineer PLC, SCADA en MES: https://qr.linktm.nl/purl-979. Bekijk de video over de opbouw en functies van PLC’s: https://qr.linktm.nl/purl-980. Bekijk de video over de componenten van PLC’s: https://qr.linktm.nl/purl-981.

TouchTech Regeltechniek 1.indb 20

5/05/20 09:44

RTE01 Inleiding automatiseren Theorie

Begrippen Automatiseren

Een bedrijfsproces uitvoeren zonder menselijke tussenkomst.

Besturingseenheid

Onderdeel van een geautomatiseerd systeem dat één of meer processen aanstuurt.

Besturingsprogramma

Software van een besturingseenheid, wordt gebruikt voor het verwerken van binaire signalen.

Besturingssignaal

Signaal dat wordt gebruikt om opdrachten van de besturingseenheid door te geven aan actuatoren.

Besturingssysteem

Geautomatiseerd systeem waarbij (meestal) sprake is van digitale signaalverwerking.

Bussysteem

Gemeenschappelijk transsportsysteem voor elektronische signalen.

Gewenste waarde (W)

Ingestelde waarde van een regelsysteem.

Informatiesignaal

Signalen van sensoren die proceswaarden meten.

Live-zero signaal

Standaard analoog signaal dat niet bij nul begint.

Microcontroller

Besturingseenheid voor kleine, geautomatiseerde besturingssystemen.

Proces

Opeenvolging van activiteiten.

Proceswaarde (X)

Ingangsvariabele (gemeten waarde) van een regelsysteem.

PLC

Besturingseenheid voor industriële besturingssystemen.

Regelaar

Onderdeel van een regelsysteem dat het verschil tussen een proceswaarde (X) en een gewenste waarde (W) corrigeert.

Regelsysteem

Geautomatiseerd systeem waarbij (meestal) sprake is van analoge signaalverwerking.

Sommator

Onderdeel van een regelsysteem dat een proceswaarde (X) vergelijkt met een gewenste waarde (W).

Systeem

Entiteit die is samengesteld uit meerdere componenten en die door de relaties tussen de componenten enige mate van samenhang, ordening en complexiteit vertoont.

TouchTech Regeltechniek 1.indb 21

5/05/20 09:44

RTE01 Inleiding automatiseren Theorieopdrachten

Theorieopdrachten 1

KLM is een luchtvaartmaatschappij die vluchten verkoopt en uitvoert. Om deze activiteiten te kunnen uitvoeren is onder meer een logistiek systeem nodig. Noem twee andere systemen die KLM nodig heeft.

Noem vier voorbeelden van geautomatiseerde systemen in je eigen huis.

Als je een geldautomaat met je pinpas bedient, gebruik je een geautomatiseerd systeem. Noem nog twee voorbeelden van systemen waar je met een pinpas goederen of diensten kunt betalen.

Kies welke systemen bij moderne auto’s zijn geautomatiseerd. □ □ □ □ □ □ □ □

cruise control verlichting het laden van de accu oliedruk in de motor mistlamp airconditioning Anti Blokkeer Systeem (ABS) richtingaanwijzer 22

TouchTech Regeltechniek 1.indb 22

5/05/20 09:44

RTE01 Inleiding automatiseren Theorieopdrachten

Het KNMI heeft een landelijk meetnet dat continue de weersgesteldheid meet. De gemeten waarden worden via een seriële verbinding naar één centraal punt doorgegeven. Noem vier natuurkundige grootheden die in zo’n weerstation worden gemeten.

TouchTech Regeltechniek 1.indb 23

5/05/20 09:44

RTE01 Inleiding automatiseren

Opdrachten uit de praktijk

Opdrachten uit de praktijk 1

Het motormanagementsysteem van een auto zorgt voor een optimaal verbrandingsproces. Dit systeem wordt door middel van sensoren van informatie voorzien. Geef aan welke informatie er allemaal aan het motormanagementsysteem wordt doorgegeven. □ □ □ □ □ □

temperatuur luchtinlaat toerental van de motor atmosferische luchtdruk vochtigheid van de aangezogen lucht temperatuur van de uitlaatgassen rotatiefrequentie van de wielen

In een keuken vindt ook een proces plaats, namelijk een verwarmingsproces. Daarbij wordt (nog) voornamelijk aardgas omgezet in warmte. Noem twee andere manieren om warmte te verkrijgen voor het koken.

Wat is het belangrijkste kenmerk van een besturingssysteem?

Noem twee belangrijke kenmerken van een regelsysteem.

TouchTech Regeltechniek 1.indb 24

5/05/20 09:44

RTE01 Inleiding automatiseren

Opdrachten uit de praktijk

Uit welke vier basismodulen bestaat een PLC?

Bekijk figuur 18.

Figuur 18 PLC-programma (Bron: A. de Bruin)

Met welke programmeertalen is het besturingsprogramma van figuur 18 geschreven?

Welke uitspraak/uitspraken is/zijn juist? □ □ □ □

Een microcontroller bevat een CPU en I/O-blok Een microcontroller heeft geen geheugen De opbouw van een microcontroller komt overeen met die van een computer Het I/O-blok van een microcontroller is uitgebreider dan bij een computer

Noem drie functies van de regelaar in een industriële automatiseringsinstallatie.

Het uitgangssignaal van een regelaar heeft een bereik van 4 - 20 mA. Het uitgangssignaal is 16 mA. Hoeveel % is dat van het totale bereik? ◯ ◯ ◯ ◯

50% 25% 75% 80% 25

TouchTech Regeltechniek 1.indb 25

5/05/20 09:44

mb o TOUCHTECH

Regeltechniek 1

TOUCHTECH

Regeltechniek 1 LEERWERKBOEK

Het boek Regeltechniek 1 bevat zeven leereenheden die de theoretische basis geven voor proces- en regeltechniek, waaronder actuatoren, sensoren, regelaars en regelkarakteristiek.

LEERWERKBOEK NIVEAU 3&4

Auteur: A. de Bruin Eindredactie: J. Gerrits

9 789006 701449

9789006701449_Omslag.indd All Pages

5/05/20 09:49