ELEC-C1110. Automaatioja systeemitekniikan. perusteet

Transkriptio

1 ELEC-C1110 Automaatioja systeemitekniikan perusteet

2 ELEC-C1110 Automaatio- ja systeemitekniikan perusteet Luento 1

3 Kurssin henkilökunta Prof Arto Visala, luennot, TkT Pekka Forsman, luennot, TY Joni Lumela, laskuharjoitukset DI Mikko Vihlman, harjoitustöiden ohjaus,

4 Uudehko kurssi, luennoidaan kolmatta kertaa Laajuus 5op Korvaa aikaisemmat kurssit: AS Automaatio- ja säätötekniikan perusteet AS Automaatio- ja säätötekniikka

5 Kurssin tiedotus ja tiedonvaihto MyCourses Uutiset Luennot Laskuharjoitukset Harjoitustöiden ohjeet Muu tiedotus esim. tentistä, usein kysytyt kysymykset Harjoitustöihin liittyvä tiedonvaihto ja kysymykset Harjoitustöiden palautukset

6 Kurssin suorittaminen Luennot: Maanantaisin klo 12-14, AS2 Kaikki teoreettinen sisältö käsitellään luennoilla Ei osallistumispakkoa Laskuharjoitukset: Perjantaisin (15.1. alkaen) klo 12-14, AS2 Kurssin matemaattiseen sisältöön liittyvien tehtävien ratkaisua ja malli-ratkaisujen esittely Ei osallistumispakkoa, ei lisäpisteitä Tentti (pakollinen) , seuraava , syksyllä tentti Kaikki tentissä tarvittava materiaali MyCourses: luento-, laskuharjoitus- ja harjoitustyömateriaalit Kaksi harjoitustyötä (pakolliset) Kurssin arvosana määräytyy 50% tentin arvosanasta, 25% ensimmäisen ja 25% toisen harjoitustyön arvosanasta. Jokainen täytyy olla läpäisty hyväksytysti.

7 Tentti Tentti on pakollinen osa kurssin suoritusta (50% arvosanasta) tentti on 2-tuntinen (harjoitusten aikana) tentti on 3-tuntinen (ns. rästitenttiaika maanantaisin klo 16-19) Syksyllä tentti, 3-tuntinen, ajankohta vielä avoin 3-tunnin tentissä enemmän aikaa mutta myös enemmän kysymyksiä

8 Harjoitustyöt Harjoitustyöt ovat pakollinen osa kurssin suoritusta (25%+25% arvosanasta) Ensimmäinen harjoitustyö Harjoitustyö selostetaan luennolla Harjoitustyön sisältö ja Matlab/Simulink-ohjelman esittely Kuvaus tulee myös Mycourses-sivuille Harjoitustyön palautuksen takaraja (klo 23.55) Toinen harjoitustyö Harjoitustyö selostetaan luennolla (myös Noppaan) Harjoitustyön palautuksen takaraja (klo 23.55) Vanhat harjoitustyösuoritukset voimassa

9 Harjoitustyöryhmät Työt tehdään ensisijaisesti pareittain Parin voi vapaasti valita Parien muodostus luennoilla ja laskuharjoituksissa Työn voi halutessaan tehdä yksin Parin voi vaihtaa toiseen harjoitustyöhön

10 Harjoitustöiden tekeminen Neuvoa saa kysyä sähköpostilla Assistentti laittaa yleisemmät vastaukset MyCourseskeskustelupalstalle Palstan tarkoitus ei ole antaa liian suoria vastauksia harjoitustyön kysymyksiin, vaan ohjata harjoitustyön ratkaisemista. Plagiointi ryhmien välillä kiellettyä, tentissä on myös harjoitustöihin liittyviä kysymyksiä

11 Sitten itse asiaan

12 Automaatio- ja systeemitekniikka?

13 Automaatiotekniikka Αυτόματο (automato, kreikkaa) = itsetoimiva Toiminta ilman ihmisen ohjaavaa tai suorittavaa osuutta Automaattisesti eli itsestään toimiva kone tai laite automaatti Automaatiotekniikka = tekniikkaa, joilla laitteet saadaan toimimaan automaattisesti

14 Automaatiotekniikka? Pyörivä liike muutettu monimutkaiseksi liikkeeksi Rattaita Kiekkoja Vipuja Varsia Mekaaninen systeemi Tässä kurssilla ei käsitellä tällaista automaatiota

15 Automaatiotekniikka Prosessi = fysikaalinen järjestelmä Syöte Prosessi Vaste

16 Automaatiotekniikka Prosessi = fysikaalinen järjestelmä Automaatio = tapa saada prosessi toimimaan halutulla tavalla ilman ihmisen suoranaista vaikutusta Ohjaus Syöte Prosessi Vaste Automaatio Mittaus

17 Automaatiotekniikka Automaatio toteutetaan käyttäen Tietotekniikkaa Antureita ja aistimia Toimilaitteita Menetelmiä ja algoritmeja, jotka realisoivat automaattisten toimintojen vaatiman älyn

18 Teollisuusautomaatio Tuotantoprosessien ja yksittäisiin koneisiin ja laitteisiin liittyvän toiminnan valvontaa ohjausta optimointia ohjausteknisin menetelmin sekä tarvittavien automaatiolaitteiden ja järjestelmien kehitystä Automaatiotekniikkaa sovelletaan kuitenkin paljon myös tehtaiden ulkopuolella

19 Systeemitekniikka Systeemi?

20 Systeemitekniikka Systeemi = keskenään vuorovaikuttavien tai riippuvien elementtien kokonaisuus Fysikaalinen systeemi Termodynaaminen systeemi Sähköpiiri Robotti Robotin yksittäinen moottori Mikrosysteemi Tehtaan tuotantoprosessi Jne.

21 Systeemitekniikka Systeemi Ohjaus Syöte Prosessi Vaste Automaatio Mittaus Systeemi

22 Systeemitekniikka Oppi dynaamisista järjestelmistä ja niiden ohjaamisesta Mallinnus Fysiikkayhtälöihin perustuva malli Stokastinen malli Säätö Simulointi Optimointi

23 Systeemit Automaatio- ja systeemitekniikka on järjestelmätekninen tieteenala Järjestelmien skaala vaihtelee laajat kokonaisuudet, esim. tuotantotehtaat pienet järjestelmät, esim. kotiautomaatio, robotti Systeemit voivat olla poikkiteknisiä mekaniikkaa prosessikemiaa biologiaa tietoliikennettä viestintää

24 Automaation sovelluksia Prosessiteollisuus ja energiantuotanto Kappaletavarateollisuus Yksittäiset koneet ja laitteet

25 Automaation sovelluksia: Prosessiteollisuus ja energiantuotanto Tärkeimmät prosessiteollisuuden alat Puunjalostus Kemian teollisuus Kaivosteollisuus Metallien perusteollisuus Elintarviketeollisuus Energiahuollon prosessit ja laitteistot Sähkö- ja lämpölaitokset Sähkönjakelujärjestelmät Lämpö- ja kaasuverkostot Öljyntuotantolaitteistot Energian paikalliseen käyttöön liittyvät järjestelmät

26 Automaation sovelluksia: Prosessiteollisuus ja energiantuotanto

27 Automaation sovelluksia/prosessi: Paperikone

28 Automaation sovelluksia/energia: Ydinvoimala

29 Automaation sovelluksia: Kappaletavarateollisuus Tärkeimmät kappaletavaratuotannon alat Konepajateollisuus Sähkö- ja elektroniikkateollisuus Mekaaninen puunjalostus Tekstiiliteollisuus Graafinen teollisuus

30 Automaation sovelluksia: Kappaletavarateollisuus

31 Automaation sovelluksia: Kappaletavarateollisuus

32 Automaation sovelluksia: Yksittäiset koneet ja laitteet Robotit Teollisuuden työstö- ja työkoneet Rakennus- ja maataloustyökoneet Kaivostyökoneet Liikennevälineet Asejärjestelmät Avaruuslaitteet jne. jne. jne.

33 Automaation sovelluksia/koneet: Moderni metsätyökone

34 Automaation sovelluksia/koneet: Autonomisesti liikkuva kaivoskone

35 Automaation sovelluksia/koneet: Autonominen auto

36 Automaation sovelluksia/koneet: Tulevaisuuden palvelurobotit WorkPartner

37 Automaation sovelluksia/koneet: Tulevaisuuden palvelurobotit Armi / NAO

38 Automaation historiaa Automaattisia mekanismeja jo vanhoissa assyrialaisissa ja egyptiläisissä kulttuureissa. aikaa mittaavat laitteet (vesikello) ja kastelujärjestelmät takaisinkytkennän ideaa hyödynnettiin jo hyvin varhain parantamaan toimivuutta ja vähentämään ihmistyön tarvetta Teollisuusautomaation kehitys vasta 1700-luvulla ja luvulla teolliseen vallankumoukseen sekä sen perustalla oleva uusi teknologia ja toimintatapa. Höyrykoneen akselin pyörimisnopeuden säätö: James Watt et al : kuvernööri Laivojen ruorikoneistojen tehokäyttöjen asennonsäätäjä luvun alkupuolella lentotekniikan hallintalaitteella

39 Automaation päätyypit Avoin järjestelmä Ajastin määrittää käynnissäoloajan Suljettu järjestelmä Ruokaa mittaava lämpömittari kertoo, milloin lämmitys lopetetaan 01:23 74 C

40 Automaation päätyypit Avoin järjestelmä Valoisuusmittari Suljettu järjestelmä Valoisuusmittari

41 Takaisinkytkentä Mittaus ohjattavasta prosessista * Mitataan ohjauksen aiheuttamaa reaktiota Korjataan tarpeen mukaan ohjausta Osa suljettua järjestelmää * Ensimmäinen rivi lisättiin tähän kalvoon luennon jälkeen

42 Säätö Millainen syöte tarvitaan prosessiin, jotta saadaan haluttu vaste säädin Takaisinkytkennän avulla voidaan tarkkailla vastetta ja muuttaa prosessin syötettä vastaavasti Säädin Valoisuusmittari Säädin Valoisuusmittari

43 Esimerkki säädöstä: höyrykoneen kuvernööri Höyrykoneen pyörimisnopeuden stabilointi riippumatta kuormasta ja paineesta v=siyetnlzlss

44 Muita automaatio- ja systeemitekniikkaan liittyviä tekniikan aloja Tietotekniikka Tietoliikennetekniikka Sähkötekniikka ja elektroniikka Mittaustekniikka Kemian tekniikka Konetekniikka ja mekatroniikka Signaalinkäsittely Signaalin suodatus Konenäkö

45 Tietoliikenteen ja ICT:n merkitys automaatiossa Laajoja järjestelmiä, jotka kommunikoivat tietoverkon yli Sähköverkot Langattomia järjestelmiä Rakennusautomaatio Luotettavuus Tehokkuus Tietoturva

46 Luennoilla ja laskuharjoituksissa käsiteltävät asiat Fysikaalisten systeemien mallintaminen Lohkokaaviot Laplace-muunnokset Anturit ja toimilaitteet Takaisinkytkentä ja säätö Säätösuunnittelun periaatteita PID-säädin Stabiilisuusanalyysi Robotiikkaa Robotin kinematiikka Automaatiojärjestelmän osa-alueet, teollisuusautomaatio Automaation sovelluksia

47