ELEC-C1110 Automaatioja systeemitekniikan perusteet
ELEC-C1110 Automaatio- ja systeemitekniikan perusteet Luento 1
Kurssin henkilökunta Prof Arto Visala, luennot, arto.visala@aalto.fi TkT Pekka Forsman, luennot, pekka.forsman@aalto.fi TY Joni Lumela, laskuharjoitukset joni.lumela@aalto.fi DI Mikko Vihlman, harjoitustöiden ohjaus, mikko.vihlman@aalto.fi
Uudehko kurssi, luennoidaan kolmatta kertaa Laajuus 5op Korvaa aikaisemmat kurssit: AS-84.1128 Automaatio- ja säätötekniikan perusteet AS-84.1132 Automaatio- ja säätötekniikka
Kurssin tiedotus ja tiedonvaihto MyCourses Uutiset Luennot Laskuharjoitukset Harjoitustöiden ohjeet Muu tiedotus esim. tentistä, usein kysytyt kysymykset Harjoitustöihin liittyvä tiedonvaihto ja kysymykset Harjoitustöiden palautukset
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) 8.4.2016, seuraava 9.5.2016, 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.
Tentti Tentti on pakollinen osa kurssin suoritusta (50% arvosanasta) 8.4.2016 tentti on 2-tuntinen (harjoitusten aikana) 9.5.2016 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
Harjoitustyöt Harjoitustyöt ovat pakollinen osa kurssin suoritusta (25%+25% arvosanasta) Ensimmäinen harjoitustyö Harjoitustyö selostetaan 25.1. luennolla Harjoitustyön sisältö ja Matlab/Simulink-ohjelman esittely Kuvaus tulee myös Mycourses-sivuille Harjoitustyön palautuksen takaraja 28.2.2016 (klo 23.55) Toinen harjoitustyö Harjoitustyö selostetaan 29.2. luennolla (myös Noppaan) Harjoitustyön palautuksen takaraja 3.4.2016 (klo 23.55) Vanhat harjoitustyösuoritukset voimassa
Harjoitustyöryhmät Työt tehdään ensisijaisesti pareittain Parin voi vapaasti valita Parien muodostus luennoilla ja laskuharjoituksissa Työn voi halutessaan tehdä yksin Parin voi vaihtaa toiseen harjoitustyöhön
Harjoitustöiden tekeminen Neuvoa saa kysyä sähköpostilla mikko.vihlman@aalto.fi 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
Sitten itse asiaan
Automaatio- ja systeemitekniikka?
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
Automaatiotekniikka? http://www.youtube.com/watch?v=c7osfnkilam Pyörivä liike muutettu monimutkaiseksi liikkeeksi Rattaita Kiekkoja Vipuja Varsia Mekaaninen systeemi Tässä kurssilla ei käsitellä tällaista automaatiota
Automaatiotekniikka Prosessi = fysikaalinen järjestelmä Syöte Prosessi Vaste
Automaatiotekniikka Prosessi = fysikaalinen järjestelmä Automaatio = tapa saada prosessi toimimaan halutulla tavalla ilman ihmisen suoranaista vaikutusta Ohjaus Syöte Prosessi Vaste Automaatio Mittaus
Automaatiotekniikka Automaatio toteutetaan käyttäen Tietotekniikkaa Antureita ja aistimia Toimilaitteita Menetelmiä ja algoritmeja, jotka realisoivat automaattisten toimintojen vaatiman älyn
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
Systeemitekniikka Systeemi?
Systeemitekniikka Systeemi = keskenään vuorovaikuttavien tai riippuvien elementtien kokonaisuus Fysikaalinen systeemi Termodynaaminen systeemi Sähköpiiri Robotti Robotin yksittäinen moottori Mikrosysteemi Tehtaan tuotantoprosessi Jne.
Systeemitekniikka Systeemi Ohjaus Syöte Prosessi Vaste Automaatio Mittaus Systeemi
Systeemitekniikka Oppi dynaamisista järjestelmistä ja niiden ohjaamisesta Mallinnus Fysiikkayhtälöihin perustuva malli Stokastinen malli Säätö Simulointi Optimointi
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
Automaation sovelluksia Prosessiteollisuus ja energiantuotanto Kappaletavarateollisuus Yksittäiset koneet ja laitteet
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
Automaation sovelluksia: Prosessiteollisuus ja energiantuotanto
Automaation sovelluksia/prosessi: Paperikone
Automaation sovelluksia/energia: Ydinvoimala
Automaation sovelluksia: Kappaletavarateollisuus Tärkeimmät kappaletavaratuotannon alat Konepajateollisuus Sähkö- ja elektroniikkateollisuus Mekaaninen puunjalostus Tekstiiliteollisuus Graafinen teollisuus
Automaation sovelluksia: Kappaletavarateollisuus
Automaation sovelluksia: Kappaletavarateollisuus
Automaation sovelluksia: Yksittäiset koneet ja laitteet Robotit Teollisuuden työstö- ja työkoneet Rakennus- ja maataloustyökoneet Kaivostyökoneet Liikennevälineet Asejärjestelmät Avaruuslaitteet jne. jne. jne.
Automaation sovelluksia/koneet: Moderni metsätyökone
Automaation sovelluksia/koneet: Autonomisesti liikkuva kaivoskone
Automaation sovelluksia/koneet: Autonominen auto http://www.youtube.com/watch?v=cdgqpa1puue
Automaation sovelluksia/koneet: Tulevaisuuden palvelurobotit WorkPartner
Automaation sovelluksia/koneet: Tulevaisuuden palvelurobotit Armi / NAO
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 1800- luvulla teolliseen vallankumoukseen sekä sen perustalla oleva uusi teknologia ja toimintatapa. Höyrykoneen akselin pyörimisnopeuden säätö: James Watt et al : kuvernööri Laivojen ruorikoneistojen tehokäyttöjen asennonsäätäjä. 1900-luvun alkupuolella lentotekniikan hallintalaitteella
Automaation päätyypit Avoin järjestelmä Ajastin määrittää käynnissäoloajan Suljettu järjestelmä Ruokaa mittaava lämpömittari kertoo, milloin lämmitys lopetetaan 01:23 74 C
Automaation päätyypit Avoin järjestelmä Valoisuusmittari Suljettu järjestelmä Valoisuusmittari
Takaisinkytkentä Mittaus ohjattavasta prosessista * Mitataan ohjauksen aiheuttamaa reaktiota Korjataan tarpeen mukaan ohjausta Osa suljettua järjestelmää * Ensimmäinen rivi lisättiin tähän kalvoon luennon jälkeen
Säätö Millainen syöte tarvitaan prosessiin, jotta saadaan haluttu vaste säädin Takaisinkytkennän avulla voidaan tarkkailla vastetta ja muuttaa prosessin syötettä vastaavasti Säädin Valoisuusmittari Säädin Valoisuusmittari
Esimerkki säädöstä: höyrykoneen kuvernööri Höyrykoneen pyörimisnopeuden stabilointi riippumatta kuormasta ja paineesta http://www.youtube.com/watch? v=siyetnlzlss
Muita automaatio- ja systeemitekniikkaan liittyviä tekniikan aloja Tietotekniikka Tietoliikennetekniikka Sähkötekniikka ja elektroniikka Mittaustekniikka Kemian tekniikka Konetekniikka ja mekatroniikka Signaalinkäsittely Signaalin suodatus Konenäkö
Tietoliikenteen ja ICT:n merkitys automaatiossa Laajoja järjestelmiä, jotka kommunikoivat tietoverkon yli Sähköverkot Langattomia järjestelmiä Rakennusautomaatio Luotettavuus Tehokkuus Tietoturva
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