Automatyka

Automatyka jest dziedziną nauki i techniki, która zajmuje się projektowaniem, instalowaniem i utrzymywaniem systemów automatycznego sterowania. Automatyka wykorzystuje różne rodzaje technologii, w tym przede wszystkim elektronikę, elektrotechnikę, informatykę, systemy komputerowe i robotykę, aby automatycznie kontrolować i monitorować różne procesy.

Automatyka ma szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach, takich jak przemysł, budownictwo, transport, medycyna, rolnictwo i wiele innych. W przemyśle automatyzacja pozwala na zwiększenie wydajności, dokładności i jakości produkcji, a także na obniżenie kosztów i zwiększenie bezpieczeństwa pracy. W budownictwie automatyzacja pozwala na inteligentne zarządzanie budynkiem, zwiększenie efektywności energetycznej i poprawę komfortu użytkowania.

Automatyka jest również ważnym elementem przemysłu 4.0, który polega na połączeniu technologii informatycznych z przemysłem, umożliwiając inteligentną automatyzację i zarządzanie procesami produkcyjnymi. Automatyka jest również ważna w rozwoju sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego, co pozwala na coraz bardziej zaawansowane systemy automatycznego sterowania.

Istnieje kilka rodzajów automatyki, które różnią się między sobą pod względem zastosowania, skali i stopnia złożoności:

• Automatyka procesów przemysłowych - dotyczy automatyzacji procesów przemysłowych, takich jak produkcja chemiczna, przetwórstwo surowców, wytwarzanie energii itp. Polega na automatycznym sterowaniu procesami produkcyjnymi, takimi jak regulacja temperatury, ciśnienia, przepływu itp.
• Automatyka budynków - odnosi się do automatyzacji systemów zarządzania budynkiem, takich jak klimatyzacja, oświetlenie, wentylacja, ochrona przeciwpożarowa, systemy bezpieczeństwa itp.
• Automatyka systemów transportowych - dotyczy automatyzacji różnych rodzajów transportu, takich jak transport publiczny (np. metra, tramwaje, autobusy), transport towarów (np. systemy magazynowania i transportu wewnątrzbudynkowego) oraz transport autonomiczny (samochody bez kierowcy, drony itp.).
• Automatyka maszyn - dotyczy automatyzacji maszyn i urządzeń przemysłowych, takich jak roboty przemysłowe, maszyny do produkcji, urządzenia do pomiarów i kontroli.
• Automatyka serwisowa - odnosi się do automatyzacji procesów serwisowych, takich jak diagnostyka, naprawa, konserwacja maszyn i urządzeń.
• Automatyka mobilna - związana z automatyzacją pojazdów mobilnych, takich jak drony, roboty mobilne, pojazdy autonomiczne itp.
• Automatyka przestrzenna - dotyczy automatyzacji systemów przestrzennych, takich jak systemy nawigacji, systemy lokalizacji, systemy bezpieczeństwa itp.

Podstawy automatyki obejmują kilka kluczowych elementów, w tym:

• Sensory

  : Sensory służą do pobierania danych z otoczenia i przetwarzania ich na sygnały, które mogą być interpretowane przez system automatyczny. Sensory mogą mierzyć różne wielkości fizyczne, takie jak temperatura, położenie, prędkość, przyspieszenie, ciśnienie, wilgotność i inne. Sensory mogą być również używane do wykrywania i rozpoznawania obiektów, takich jak kamery, skanery laserowe, czujniki ultradźwiękowe i inne.
  Rozwiń

  Istnieje wiele rodzajów sensorów, które mogą być stosowane w automatyce. Oto kilka przykładów

  Czujniki temperatury

  : tego typu sensor mierzy temperaturę otoczenia lub przedmiotów. Czujniki temperatury mogą być stosowane w systemach klimatyzacyjnych, chłodniczych, wentylacyjnych, piecach, silnikach i innych systemach wymagających kontroli temperatury.

  

  Czujniki położenia

  : tego typu sensor mierzy położenie fizycznego obiektu w przestrzeni. Czujniki położenia mogą być stosowane w systemach automatyki przemysłowej, takich jak maszyny, roboty, pojazdy i inne.

  

  Czujniki prędkości i przyspieszenia

  : tego typu sensor mierzy prędkość lub przyspieszenie fizycznego obiektu. Czujniki prędkości i przyspieszenia mogą być stosowane w systemach automatyki przemysłowej, takich jak pojazdy, maszyny, roboty, systemy transportowe i inne.

  

  Czujniki ciśnienia

  : tego typu sensor mierzy ciśnienie otoczenia lub przepływu fluidów. Czujniki ciśnienia mogą być stosowane w systemach automatyki przemysłowej, takich jak systemy przepływu cieczy, systemy wentylacyjne, systemy chłodnicze i inne.

  

  Czujniki wilgotności

  : tego typu sensor mierzy wilgotność powietrza lub innych materiałów. Czujniki wilgotności mogą być stosowane w systemach klimatyzacyjnych, wentylacyjnych, systemach przechowywania żywności i innych systemach wymagających kontroli wilgotności.

  

  Czujniki obrazu

  : tego typu sensor pozwala na rejestrowanie obrazów, mogą być stosowane w automatyce przemysłowej, wykrywaniu obiektów, rozpoznawaniu twarzy, rozpoznawaniu kodów kreskowych.

  

• Sterowniki

  : Sterowniki służą do przetwarzania danych pochodzących z sensorów i generowania sygnałów sterujących, które służą do kontrolowania elementów wykonawczych. Sterowniki mogą być zrealizowane jako układy elektroniczne lub oprogramowanie komputerowe. Mogą one wykorzystywać różne metody regulacji, takie jak regulacja PID (proporcjonalno-całkująco-różniczkująca), regulacja liniowa, regulacja nieliniowa i inne.
  Rozwiń

  Istnieje wiele rodzajów sterowników, które mogą być stosowane w automatyce. Oto kilka przykładów:

  Sterowniki PLC

  (Programmable Logic Controller): Są to komputery przemysłowe, które są specjalnie zaprojektowane do sterowania procesami przemysłowymi. Sterowniki PLC mogą być programowane za pomocą języków takich jak Ladder Logic, Structured Text, czy też Function Block Diagram. Są one często stosowane w różnych gałęziach przemysłu, takich jak automatyka budynków, automatyka maszyn, automatyka linii produkcyjnych.

  

  Sterowniki numeryczne (CNC)

  : Są to specjalne rodzaje sterowników przeznaczone do sterowania maszynami skrawającymi, takimi jak tokarki, frezarki, czy też centra obróbcze. Sterowniki te pozwalają na precyzyjne kontrolowanie ruchów narzędzia skrawającego w celu wykonania precyzyjnych operacji skrawania.

  

  Sterowniki DCS

  (Distributed Control System): Są to systemy kontroli rozproszonej, które pozwalają na zarządzanie i kontrolowanie procesów przemysłowych na poziomie całego zakładu. Sterowniki DCS mogą być skonfigurowane jako sieć wielu niezależnych stacji roboczych, które mogą być połączone za pomocą różnych interfejsów komunikacyjnych.

  

  Sterowniki SCADA

  (Supervisory Control and Data Acquisition): Są to systemy, które pozwalają na zdalne monitorowanie i kontrolowanie procesów przemysłowych. Sterowniki SCADA mogą być skonfigurowane jako sieć wielu niezależnych stacji roboczych, które mogą być połączone za pomocą różnych interfejsów komunikacyjnych.

  

  Sterowniki robotów

  : Są to specjalne rodzaje sterowników przeznaczone do sterowania robotami przemysłowymi. Sterowniki te pozwalają na precyzyjne kontrolowanie ruchów robotów w celu wykonania precyzyjny

  

• Elementy wykonawcze

  : Elementy wykonawcze służą do wykonywania rzeczywistych działań, na przykład napędzanie silnika, przesuwanie siłownika, otwieranie i zamykanie przekaźnika, włączanie i wyłączanie źródła zasilania. Elementy wykonawcze mogą być zrealizowane jako układy elektroniczne lub mechaniczne.
  Rozwiń

  Istnieje wiele rodzajów elementów wykonawczych, które mogą być stosowane w automatyce. Oto kilka przykładów:

  Silniki

  : Silniki elektryczne są najczęściej stosowanym elementem wykonawczym w automatyce. Służą one do napędzania różnych maszyn i urządzeń, takich jak pompy, wentylatory, taśmy transportowe, roboty i inne.

  

  Siłowniki

  : Siłowniki służą do przesuwania elementów mechanicznych za pomocą siły elektrycznej lub pneumatycznej. Są one często stosowane w maszynach i urządzeniach, takich jak prasy, maszyny pakujące, automaty do mycia i inne.

  

  Przekaźniki

  : Przekaźniki służą do przełączania obwodów elektrycznych na podstawie sygnałów elektrycznych. Są one często stosowane w systemach automatyki, takich jak przekaźniki czasowe, przekaźniki termiczne, przekaźniki kontaktronowe i inne.

  

  Styczniki

  : Styczniki służą do przełączania obwodów elektrycznych na podstawie sygnałów elektrycznych. Są one często stosowane w systemach automatyki, takich jak styczniki magnetyczne, styczniki elektromagnetyczne, styczniki elektromechaniczne i inne.

  

  Przetworniki

  : Przetworniki służą do konwersji sygnałów analogowych na cyfrowe lub odwrotnie. Są one często stosowane w systemach automatyki, takich jak przetworniki prądowe, przetworniki napięciowe, przetworniki częstotliwości i inne.

  

  Przetworniki służą do przekształcania jednego rodzaju sygnału na inny. Istnieje wiele rodzajów przetworników, które mogą przekształcać różne rodzaje sygnałów, takie jak prąd, napięcie, pozycja, temperatura, ciśnienie itp.

  Ogólnie, działanie przetwornika można opisać w następujący sposób:

  • Sygnał wejściowy jest pobierany przez przetwornik z jego wejścia.
  • Sygnał wejściowy jest przekształcany przez przetwornik na sygnał wyjściowy przy użyciu odpowiedniej elektroniki i/lub algorytmów.
  • Sygnał wyjściowy jest przekazywany przez przetwornik na jego wyjście.
  • Sygnał wyjściowy jest następnie przetwarzany lub używany przez inne elementy systemu.

  Rodzaje przetworników i ich zastosowanie zależy od rodzaju sygnału wejściowego i wyjściowego, który chcemy przekształcić.

  Przykładowo, przetworniki prądowo-napięciowe służą do przekształcania sygnałów prądowych na sygnały napięciowe i odwrotnie, przetworniki pozycji służą do pomiaru pozycji mechanicznej (np. pozycji siłownika, wału), przetworniki temperatury do pomiaru temperatury, przetworniki ciśnienia do pomiaru ciśnienia itp.

  W przypadku przetworników cyfrowych, sygnał wejściowy jest przetwarzany przez układ elektroniczny, który generuje odpowiedni sygnał cyfrowy, który jest przekształcany na sygnał analogowy na wyjściu.

  W przypadku przetworników analogowych, sygnał wejściowy jest bezpośrednio przekształcany na sygnał wyjściowy za pomocą układu elektronicznego, bez konieczności przetwarzania na sygnał cyfrowy.

  Ogólnie, przetworniki są ważnym elementem automatyki, ponieważ pozwalają na pomiar i kontrolę różnych parametrów procesu

  Układy wykonawcze

  : Układy te pozwalają na realizowanie różnych funkcji wykonawczych, takich jak podnoszenie, przesuwanie, przekręcanie, mieszanie, mieszanie itp. Są one często stosowane w różnych gałęziach przemysłu, takich jak automatyka przemysłu

  

  Układ wykonawczy jest urządzeniem, które reguluje medium (np. powietrze, ciecz, gaz) przez swoje otwarcie lub zamknięcie. Zawory są często używane w systemach automatyki przemysłowej do kontrolowania przepływu w różnych procesach.

  Zasada działania, z którego można skorzystać:

  • Sygnał sygnału jest generowany przez regulator (np. regulator PID, LQR) na podstawie stwierdzenia między wartością zadaną a rzeczywistą oraz na podstawie wprowadzenia parametrów regulatora.
  • Sygnał jest przekazywany do elementu wykonawczego.
  • Element ustalający, na podstawie którego dokonuje się regulacji, reguluje swoje położenie, otwierając się lub zamykając, co w konsekwencji reguluje przepływ medium.
  • Kolejne pomiary uzyskanej wartości procesu są rzeczywiste z wartością zadaną i cały proces jest powtarzany, aby ustalić proces w stanie ustalonym wokół wartości.
  • Zawory mogą być kontrolowane ręcznie lub automatycznie, przykładowo za pomocą silnika elektrycznego, siłownika pneumatycznego lub elektro-hydraulicznego.

• Algorytmy regulacji

  : Algorytmy regulacji to metody matematyczne stosowane do projektowania i optymalizacji działania systemów automatycznych. Algorytmy te mogą być zrealizowane jako układy elektroniczne lub oprogramowanie komputerowe. Mogą one wykorzystywać różne metody matematyczne, takie jak teoria optymalizacji, teoria stabilności, teoria równań różniczkowych i inne.
  Rozwiń

  Istnieje wiele rodzajów algorytmów regulacji, które mogą być stosowane w automatyce. Oto kilka przykładów:

  Regulacja PID

  : Jest to jeden z najczęściej stosowanych algorytmów regulacji w automatyce. Regulacja PID (proporcjonalno-całkująco-różniczkująca) polega na kontrolowaniu procesu poprzez regulację napięcia na podstawie różnicy między wartością zadaną a rzeczywistą oraz jej przyspieszenia i prędkości.

  czytaj dalej

  

  Regulator PID składa się z trzech składników: składnika proporcjonalnego (P), składnika całkującego (I) i składnika różniczkującego (D). Składnik proporcjonalny odpowiada za generowanie sygnału regulacyjnego proporcjonalnie do różnicy między wartością zadaną a rzeczywistą. Składnik całkujący odpowiada za generowanie sygnału regulacyjnego proporcjonalnie do całkowitej różnicy między wartością zadaną a rzeczywistą w danym momencie. Składnik różniczkujący odpowiada za generowanie sygnału regulacyjnego proporcjonalnie do przyspieszenia różnicy między wartością zadaną a rzeczywistą.

  Te trzy składniki są następnie połączone równolegle, a ich współczynniki proporcjonalne są określane przez inżyniera procesu tak, aby uzyskać jak najlepsze dostosowanie procesu do wartości zadanej. Regulator PID jest często stosowany w różnych gałęziach przemysłu, takich jak automatyka budynków, automatyka maszyn, automatyka linii produkcyjnych.

  Istnieją również inne ważne aspekty regulacji PID, które warto wiedzieć.

  • Wartości współczynników proporcjonalnego, całkującego i różniczkującego muszą być odpowiednio dobrane, aby uzyskać jak najlepsze dostosowanie procesu do wartości zadanej. Zbyt duże wartości tych współczynników mogą prowadzić do oscylacji procesu, natomiast zbyt małe wartości mogą prowadzić do opóźnienia w reakcji procesu na zmiany wartości zadanej.
  • Regulator PID jest często stosowany w połączeniu z innymi metodami regulacji, takimi jak regulacja modelowa, regulacja adaptacyjna czy też regulacja neuroobiektowa, aby uzyskać jeszcze lepsze dostosowanie procesu do wartości zadanej.
  • Regulator PID może być również stosowany w systemach wielowymiarowych, gdzie konieczne jest kontrolowanie kilku parametrów procesu jednocześnie.
  • Regulator PID jest często wykorzystywany w systemach automatyki przemysłowej, takich jak systemy produkcji, systemy transportowe, systemy klimatyzacji i inne.
  • Regulator PID jest często wykorzystywany do kontrolowania procesów ciągłych, takich jak przepływ cieczy, ciśnienie, temperatura czy pozycja, ale może również być używany do kontrolowania procesów dyskretnych.
  • Regulator PID jest często wykorzystywany w połączeniu z systemami automatycznego dostosowywania parametrów (Auto-tuning), które pozwalają na automatyczne dobieranie parametrów regulatora.
  • Regulator PID jest często wykorzystywany w połączeniu z systemami diagnostycznymi, które pozwalają na monitorowanie stanu procesu i wykrywanie ewentualnych awarii.
  • Regulator PID może być również stosowany w połączeniu z innymi metodami kontroli, takimi jak kontrola wykorzystująca algorytmy genetyczne czy też kontrola wykorzystująca inteligencję obliczeniową, aby uzyskać jeszcze lepszą jakość kontroli procesu.

  Działanie regulatora PID można opisać krok po kroku w następujący sposób:

  • Początkowo, wartość zadana (setpoint) jest porównywana z rzeczywistą wartością procesu (feedback). Różnica między tymi dwoma wartościami jest nazywana błędem procesu.
  • Składnik proporcjonalny (P) regulacji PID generuje sygnał regulacyjny proporcjonalnie do błędu procesu. Im większy jest błąd procesu, tym większy jest sygnał regulacyjny generowany przez składnik proporcjonalny.
  • Składnik całkujący (I) regulacji PID generuje sygnał regulacyjny proporcjonalnie do całkowitego błędu procesu w danym momencie. Składnik całkujący działa jak "pamięć" błędu procesu i pozwala na uwzględnienie długotrwałych zmian błędu procesu.
  • Składnik różniczkujący (D) regulacji PID generuje sygnał regulacyjny proporcjonalnie do przyspieszenia błędu procesu. Składnik różniczkujący pozwala na uwzględnienie szybkich zmian błędu procesu.
  • Sygnały regulacyjne generowane przez składniki proporcjonalne, całkujące i różniczkujące są sumowane, aby uzyskać ostateczny sygnał regulacyjny.
  • Ostateczny sygnał regulacyjny jest następnie przekazywany do elementu wykonawczego (np. silnika, grzałki, itp.), aby zmienić parametry procesu tak, aby doprowadzić go do wartości zadanej.
  • Kolejne pomiary rzeczywistej wartości procesu są porównywane z wartością zadaną i cały proces jest powtarzany, aby utrzymać proces w stanie równowagi wokół wartości zadanej.

  Regulacja LQR

  (Linear Quadratic Regulator): Jest to algorytm regulacji oparty na teorii sterowania optymalnego. Regulacja LQR polega na zoptymalizowaniu funkcji celu, która jest sumą kwadratów błędów między wartością zadaną a rzeczywistą oraz kontrolowaniu procesu poprzez regulację napięcia.

  czytaj dalej

  Krok po kroku działanie regulacji LQR można opisać następująco:

  • Początkowo, model matematyczny procesu jest identyfikowany i opisywany za pomocą równań różniczkowych lub równań stanu.
  • Następnie, funkcja celu jest zdefiniowana jako suma kwadratów błędu procesu oraz kwadratów sygnału regulacyjnego.
  • Optymalizacja funkcji celu jest przeprowadzana za pomocą metod numerycznych, takich jak algorytm Riccati lub algorytm LQR.
  • W wyniku optymalizacji, uzyskuje się optymalne parametry regulatora, które są następnie implementowane w procesie.
  • Sygnał regulacyjny jest generowany na podstawie różnicy między wartością zadaną a rzeczywistą oraz na podstawie optymalnych parametrów regulatora.
  • Sygnał regulacyjny jest następnie przekazywany do elementu wykonawczego (np. silnika, grzałki, itp.), aby zmienić parametry procesu tak, aby doprowadzić go do wartości zadanej.
  • Kolejne pomiary rzeczywistej wartości procesu są porównywane z wartością zadaną i cały proces jest powtarzany, aby utrzymać proces w stanie równowagi wokół wartości zadanej.

  Regulacja modelowa

  : Algorytm regulacji modelowej polega na opracowaniu matematycznego modelu procesu, który jest następnie wykorzystywany do kontrolowania procesu. Regulacja modelowa jest często stosowana w systemach automatyki przemysłowej, takich jak systemy produkcji, systemy transportowe i inne.

  czytaj dalej

  Krok po kroku działanie regulacji modelowej można opisać następująco:

  • Początkowo, model matematyczny procesu jest identyfikowany i opisywany za pomocą równań różniczkowych lub równań stanu.
  • Następnie, sygnał regulacyjny jest generowany na podstawie modelu matematycznego procesu.
  • Sygnał regulacyjny jest następnie przekazywany do elementu wykonawczego (np. silnika, grzałki, itp.), aby zmienić parametry procesu tak, aby doprowadzić go do wartości zadanej.
  • Kolejne pomiary rzeczywistej wartości procesu są porównywane z wartością zadaną, a model matematyczny procesu jest dostosowywany na podstawie tych pomiarów, aby lepiej opisywać rzeczywiste zachowanie procesu.
  • Cały proces jest powtarzany w celu utrzymania procesu w stanie równowagi wokół wartości zadanej.

  Regulacja neuroobiektowa

  : Jest to algorytm regulacji oparty na sieciach neuronowych. Regulacja neuroobiektowa polega na wykorzystaniu sieci neuronowej do modelowania procesu oraz do generowania sygnałów regulacyjnych. Jest to metoda szczególnie przydatna dla procesów, które są trudne do modelowania za pomocą tradycyjnych metod matematycznych.

  Regulacja adaptacyjna

  : Jest to algorytm regulacji, który polega na automatycznej adaptacji parametrów regulatora na podstawie danych rzeczywistych. Regulacja adaptacyjna jest często stosowana w systemach automatyki przemysłowej, takich jak systemy produkcji, systemy transportowe i inne.

  Regulacja wielowymiarowa

  : Jest to algorytm regulacji, który polega na kontrolowaniu kilku parametrów procesu jednocześnie. Regulacja wielowymiarowa jest często stosowana w systemach automatyki przemysłowej, takich jak systemy produkcji, systemy transportowe i inne, gdzie wymagana jest kontrola kilku parametrów procesu jednocześnie.

• Systemy komunikacyjne

  : Systemy komunikacyjne służą do przesyłania danych między poszczególnymi elementami automatyki. Mogą one być zrealizowane za pomocą różnych protokołów komunikacyjnych, takich jak CAN (Controller Area Network), Ethernet, Modbus, Profibus i inne. Mogą one umożliwiać komunikację pomiędzy różnymi elementami systemu automatyki, takimi jak sensory, sterowniki, elementy wykonawcze, systemy zarządzania i inne.

• Systemy zarządzania

  : Systemy zarządzania służą do monitorowania, diagnostyki i zarządzania działaniem całego systemu automatycznego. Mogą one być zrealizowane jako oprogramowanie komputerowe lub układy elektroniczne. Mogą one umożliwiać monitorowanie stanu systemu, wykrywanie i diagnozowanie problemów, zarządzanie konfiguracją i ustawieniami systemu oraz generowanie raportów i alarmów.

Zapisz się do Newslattera i bądź na bierząco z nowościami i ciekawostkami.

Twój e-mail:

*Szanujemy Ciebie i tak jak Ty nie lubimy spamu, będziemy informowali Cię o nowościach związanych z najnowszą technologią. W każdym momencie możesz zrezygnować z Newslattera wysyłając do nas e-maila. Zapisując sie do Newslattera akceptujesz zasady prywatności.