Stáhnout - SPŠel•it Dobruška

MIKROPOČÍTAČOVÉ
ŘÍZENÍ
SPŠel.it Dobruška, učební text, 2013
© Ing Josef Hloušek
Verze 2.1.
Tento učební text je určen pro výuku předmětu Mikropočítačové řízení ve 4. ročníku oboru
Aplikace osobních počítačů a správa sítí. Cílem výuky je získání teoretických znalostí o funkci
regulačních obvodů a jejich konstrukci.
Text předpokládá znalost lineárních a digitálních elektronických obvodů a základů vyšší
matematiky. Výhodou je znalost technické angličtiny.
Pro praktickou část výuky slouží učební text Mikropočítačové řízení - cvičení, který obsahuje
návod na sestavení a zprovoznění několika jednoduchých elektrických regulačních obvodů s
mikrořadičem Microchip PIC16F917 a programovatelným automatem firmy B&R System 2003.
Žlutě podbarvený text je určen jen pro intelektuální giganty a nebude v pravidelných hodinách
předmětu MPR vykládán ani nebude vyžadována jeho znalost.
Tento text je určen výlučně žákům T4A ve školním ročníku 2014/2015 a není
dovoleno jeho šíření v jakékoliv podobě.
1
Obsah:
1. Úvod, terminologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2. Parametry členů regulačních obvodů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1. Statická charakteristika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2. Dynamické charakteristiky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3. Přenosová funkce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4. Kvalita regulačního pochodu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3. Regulované soustavy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1. Statické regulované soustavy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.2. Astatické regulované soustavy . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4. Měřící členy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.1. Snímače polohy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.2. Snímače teploty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4.3. Snímače osvětlení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.4. Snímače otáčivé rychlosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
4.5. Ostatní snímače . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
5. Akční členy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
5.1. Relé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
5.2. Elektromotory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
6. Regulátory, ústřední členy regulačního obvodu . . . . . . . . . . . . 33
6.1. Rozdělení regulátorů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
6.2. Spojité regulátory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
6.3. Nespojité regulátory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
7. Programovatelné automaty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
7.1. Historie a rozdělení PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
7.2. Programování PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
7.3. Vývojové prostředí pro programování PLC . . . . . . . . . 41
8. Průmyslové sběrnice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
8.1. Sběrnice RS-232 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
8.2. Sběrnice CAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
8.3. Bezdrátová komunikace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
8.4. Mobilní komunikace a Internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
9. Projekt s využitím PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2
1. Úvod, terminologie
Mechanizace poskytuje lidem k práci zařízení, které jim usnadňuje práci.
Automatizace snižuje potřebu přítomnosti člověka při vykonávání určité činnosti, označuje
použití řídicích systémů (např. regulátorů, počítačů, snímačů) k řízení průmyslových zařízení a
procesů. Z pohledu industrializace jde o krok následující po mechanizaci. Za splnění ideálního
předpokladu tzv. komplexní automatizace by teoreticky mohlo dojít až k vyřazení člověka z
příslušného výrobního procesu.
Řízení systémů je jejich ovládání a regulace.
Ovládání je takové řízení, při němž jsou v určitém předepsaném sledu prováděny logické
operace s případnou indikací stavu na základě popudu obsluhy nebo nadřazeného řídicího
systému. Systém přitom pracuje s charakteristikami pevně určenými zapojením a parametry
elektrických a mechanických obvodů bez jakékoliv regulační zpětné vazby.
Regulace je pak takové řízení, při němž systém díky zpětné vazbě pracuje na takových
charakteristikách, aby regulovaná veličina sledovala s požadovanou přesností a dynamikou
řídicí veličinu.
Regulační obvod pro jednu regulovanou veličinu, v němž žádaná hodnota w(t) určuje
regulovanou veličinu v(t).
S
AČ
MČ
REG
regulovaná soustava
akční člen
měřicí člen
regulátor
w (t)
v (t)
e (t)
y (t)
z (t)
žádaná hodnota regulované veličiny
skutečná hodnota regulované veličiny
regulační odchylka
akční veličina
poruchová veličina
Měřicí člen MČ snímá a měří regulovanou veličinu v (t), která je ve srovnávacím členu
porovnávána s řídicím signálem w (t). Regulační odchylka e (t) je pak zpracována v řídicím
členu REG podle zadaného kritéria kvality regulace. Výstupní signál řídicího členu je akčním
členem AČ převeden na vyšší výkonovou úroveň a jako akční signál y (t) je zaváděn na vstup
regulované soustavy S.
3
Regulovaná soustava S. Zařízení, které má být regulováno.
V elektrickém pohonu je to elektrický stroj včetně poháněného mechanizmu.
Regulovaná veličina v(t). Veličina, která je regulátorem udržovaná v předepsaných
podmínkách.
Hlavní regulovanou veličinou v elektrických pohonech je otáčivá rychlost a moment, u
servopohonů je to poloha. Dalšími regulovanými veličinami může být proud, spínací kmitočet
střídače a další.
Podstatou regulace je porovnávání skutečné hodnoty regulované veličiny s hodnotou
žádanou. Regulační obvod vždy obsahuje zpětnou vazbu s měřicím členem.
V elektrickém pohonu jako měřící členy jsou použity snímače otáček a polohy.
Rozdíl žádané hodnoty w(t) a skutečné hodnoty v(t) je regulační odchylka e(t). V regulátoru
REG je z ní generován řídicí signál y(t) vstupující do akčního členu AČ.
V moderním regulovaném pohonu je akční člen tvořen výkonovým polovodičovým měničem.
Akční veličinou je změna napětí, proudu, kmitočtu apod.
Poruchová veličina z(t) může působit v kterémkoliv místě regulačního obvodu. Většinou se
nejedná o poruchu v pravém slova smyslu, ale o normální stav regulované soustavy.
V elektrickém pohonu je poruchovou veličinou změna zatěžovacího momentu nebo napájecího
napětí. Dále to může být teplota a další technologické veličiny.
Regulátory mohou pracovat na principu mechanickém, hydraulickém, pneumatickém, moderní
regulátory jsou převážně elektrické. Nositelem informací v elektrických regulačních obvodech
jsou elektrické signály. Jestliže regulovaná soustava není elektrická (např. nádrž s kapalinou,
klimatizovaná místnost) a regulovaná veličina není elektrická (výška hladiny, teplota), musí být
součástí měřícího členu převodník neelektrické veličiny na veličinu elektrickou (nejčastěji
napětí).
Elektrické signály mohou být spojité (analogové) nebo diskrétní (digitální). Signál musí
informaci o zobrazované veličině přenést jednoznačně s požadovanou přesností v celém
pracovním rozsahu změn zobrazované veličiny.
Pro spojitý signál je charakteristická okamžitá velikost napětí nebo proudu. Úroveň pracovního
stejnosměrného napětí se volí dostatečně vysoká vůči možným rušivým napětím. Protože
přesnost přenášené informace je funkcí úrovně napěťového signálu, deformují všechna rušivá
napětí přenášenou informaci v takové míře, v jakém poměru jsou k základnímu napěťovému
signálu.
Diskrétní signály mají tu výhodu, že přenášená informace obvykle na úrovni rušivého napětí
nezávisí. Proto bývají pracovní napětí nižší. Kromě toho se diskrétní signály dají zpracovávat s
větší přesností než signály analogové.
Mají-li být impulsy diskrétních signálů nositeli informací, musí být modulovány nebo kódovány.
Podle druhu modulace mluvíme o frekvenční modulaci, kde nositelem informace je frekvence
impulsů, o impulsní amplitudové modulaci, kde při konstantní šířce a frekvenci impulsů je
nositelem informace jejich amplituda a o impulsní šířkové modulaci (PWM – Pulse Width
Modulation), kde při stál frekvenci a amplitudě je nositelem informace šířka impulsů. Nositelem
informace může být i fázový posun.
4
Příklady regulačních obvodů:
Řízení automobilu člověkem je příklad manuální regulace
Regulovaná soustava = automobil
Regulátor = řidič
Regulované veličiny = poloha vozidla a jeho rychlost
Měřící členy = tachometr, oči řidiče
Akční členy = volant, brzda, plyn, ruce a nohy řidiče
Požadované hodnoty = směr vozovky, dopravní značky
Skutečné hodnoty = poloha a rychlost vozidla
Porucha = neukázněný chodec, snížená viditelnost, …………
5
Vytápění místnosti na stanovenou teplotu je příklad automatické regulace
Regulovaná soustava = budova, místnost
Regulátor = vytápěcí systém
Regulovaná veličina = teplota
Měřící členy = teploměry
Akční členy = kotel, ventily, radiátory
Požadovaná hodnota = teplota nastavená uživatelem
Skutečná hodnota = skutečná teplota v místnosti
Porucha = změna venkovní teploty, otevření okna
6
2. Parametry členů regulačních obvodů
Vlastnosti členů regulačních obvodů můžeme posuzovat:
- v ustáleném stavu - statické vlastnosti
- při změnách vstupních i výstupních veličin - dynamické vlastnosti
2.1. Statická charakteristika
Statická charakteristika vyjadřuje závislost výstupního signálu na vstupním signálu v jejich
ustálených stavech, tj. po doznění všech přechodových jevů.
Má-li statická charakteristika přímkový průběh, je příslušné zařízení lineární, v opačném případě
se jedná o zařízení nelineární.
Statickou charakteristiku lze vyjádřit matematicky jako funkční závislost
y = f(x)
Většinou je požadována statická charakteristika lineární, jejímž grafickým znázorněním je
přímka : y = kx + q
Statická charakteristika může mít tvaru polynomu y = an xn + ... + a2 x2 + a1 x + a0 nebo může
být vyjádřena graficky.
Příklad statické charakteristiky udávající závislost velikosti napětí U2 odebíraného z odporového
děliče (výstupní signál) na poloze jezdce x (vstupní signál).
U2
10 V
U1 = 10 V
x
U1
5V
U1 = 5 V
U2
100%
x
Příkladem obecné nelinearity mohou být charakteristiky polovodičových součástek ( a). Člen s
nelinearitou typu nasycení ( b) je pro vstupní hodnoty v intervalu X1, X2 lineární, zatímco na
změny signálu mimo tyto meze nereaguje. Opačným případem je nelinearita typu pásmo
necitlivosti ( c). Nelinearita typu vůle v převodech ( d) je charakteristická různým průběhem
charakteristiky pro stoupající a klesající vstupní veličinu. Nelinearita typu hystereze ( e) vzniká
složením charakteristik ( b) a ( d). Jsou to například charakteristiky relé, kdy proud potřebný pro
přítah je větší než proud, při kterém relé odpadá.
y
y
y
x1
y
x1
x
a)
y
x2
b)
x
x2 x
c)
x
d)
7
x
e)
2.2. Dynamické charakteristiky
2.2.1. Frekvenční charakteristika
Frekvenční charakteristika vyjadřuje závislost amplitudy a fáze výstupního signálu na kmitočtu
vstupního signálu. Vstupním signálem je sinusový průběh. Vzhledem k lineárnosti uvažovaného
systému je výstupní signál také sinusový a mění se jen jeho amplituda a fáze.
Je-li vstupní signál u = u0 sin t
je výstupní signál
y = y0 sin (t + φ)
kde u0, y0 jsou amplitudy vstupního a výstupního signálu,  úhlová frekvence a φ fázové
posunutí výstupního signálu vůči vstupnímu.
Frekvenční charakteristika se dá rozdělit na dvě charakteristiky
- amplitudovou A= f()
- fázovou φ= f ().
Dvojice charakteristik se kreslí v logaritmických souřadnicích, frekvence  na vodorovnou osu
v logaritmickém měřítku jako log. Tím se dosáhne velkého rozsahu změn frekvence.
Amplituda se vynáší v jednotkách decibel (dB) jako A = 20 log y0 / x0 , fáze ve stupních.
Příklad dvou amplitudových a dvou fázových charakteristik v logaritmických souřadnicích.
8
Frekvenční charakteristika může být vykreslena jako jediná křivka v komplexní rovině, přičemž
proměnným parametrem je úhlová frekvence , která se mění od =0 do =>.
Kmitočtová charakteristika má tvar komplexního čísla G(j) = Re() + j Im()
2.2.2. Přechodová charakteristika
Přechodová charakteristika je odezva výstupu
na jednotkový skok na vstupu. Je to tedy
časový průběh výstupní veličiny a značí se
h(t). Jednotkový skok je funkce, která do času
t=0 má hodnotu nula a v čase t=0 se její
hodnota skokem změní na jednotku, kterou
pak stále udržuje.
Doba, po kterou se hodnota výstupní veličiny
mění, se udává jako přechodový děj.
9
2.3. Přenosová funkce (přenos)
Závislost výstupní veličiny na vstupní veličině je možné vyjádřit matematicky přenosovou funkcí
G (j) ve tvaru podílu dvou polynomů s komplexní proměnnou
Y (j)
G (j) = ----------------X (j)
Standardní zápis používá operátor p na místo j a přenosová funkce má tvar
Y(p)
bmpm + . . . + b1p + b0
G(p) = -------------------- = --------------------------------------X(p)
pn + an-1pn-1. . . + a1p + a0
kde m  n
Polynom jmenovatele je charakteristický polynom.
Stupeň charakteristického polynomu je řád přenosu.
Kořeny charakteristického polynomu jsou póly přenosu.
Kořeny polynomu čitatele jsou nuly přenosu.
Statický systém je takový, kde prosté členy polynomů čitatele i jmenovatele jsou nenulové,
tedy platí a  0, b 0. Je také nazýván jako systém proporcionální. Poměr b0 / a0 je zesílení
Jestliže jmenovatel přenosu má tvar pna(p) je systém astatický a n je stupeň astatismu. Je
také nazýván jako systém integrační.
Jestliže čitatel přenosu má tvar pmb(p) je systém nazýván jako systém derivační.
Podstatnou výhodou práce s přenosy je, že složité operace s diferenciálními rovnicemi jsou
nahrazeny jednoduchými algebraickými operacemi. Základní pravidla pro výpočet výsledného
přenosu systému, jestliže jsou známé přenosy jednotlivých subsystémů :
Sériové zapojení
G1(p)
G2(p)
G(p) = G1(p) * G2(p)
Paralelní zapojení
G1(p)
G(p) = G1(p) + G2(p)
G2(p)
Zpětná vazba záporná
-
G1(p)
G1(p)
G(p) = ------------------------1 + G1(p) * G2(p)
G2(p)
10
2.4. Kvalita regulačního pochodu
2.4.1. Stabilita systému
Stabilita je nutnou podmínkou pro správnou funkci regulačního obvodu.
Obvod automatického řízení je stabilní, když se regulovaná veličina, byla-li vyvedena změnou
kterékoliv veličiny ze své rovnovážné polohy, ustálí na stejné nebo nové rovnovážné poloze.
V nestabilním obvodu se regulovaná veličina mění po změně rovnovážného stavu až ke své
krajní poloze, případně kmitá s větší amplitudou, než je povolená chyba.
σ … překmit = hmax - h∞
δ … toleranční pásmo (např. 2 %) regulační odchylky
h∞ … ustálená hodnota
Tmax ... čas dosažení maxima
Treg … doba regulace
2.4.2. Přesnost regulace
Je dána chybou, s jakou systém udržuje regulovanou veličinu v předepsaných mezích.
Nejčastěji se udává v procentech ustálené hodnoty.
2.4.3. Rychlost regulace.
Je charakterizována průběhem přechodového děje regulované veličiny při skokové změně
vstupní veličiny obvodu. Z charakteristiky určujeme dobu regulace Treg jako čas, kdy se
regulovaná veličina ustálí uvnitř tolerančního pásma 2
Komplexní kvalita regulace je dána vzájemným poměrem přesnosti a rychlosti při
jednoznačném dodržení stability. Jednotlivé složky jsou většinou ve vzájemném rozporu a
zvýšení přesnosti má obvykle za následek prodloužení doby regulace. Zvýšením rychlosti
regulace se zvětší překmit a může dojít až k nestabilitě systému.
11
3. Regulované soustavy
Regulovaná soustava je zařízení, na kterém se provádí regulace, pro kterou je třeba zvolit
regulátor vhodný pro danou soustavu.
Regulovanou soustavou může být téměř cokoliv – pásový dopravník s elektromotorem,
automobil se spalovacím motorem, hydraulický nebo pneumatický mechanizmus, osvětlovací
těleso, ale také třeba nádržka na vodu splachovače nebo stabilizátor napětí. Je zřejmé, že
úměrně k principu činnosti, složitosti, ceně a požadavkům na regulaci má být regulátor
přizpůsoben.
Z pohledu teorie automatické regulace je regulovaná soustava popsána matematickým
modelem, ve kterém jsou důležité především statické a dynamické vlastností soustavy. Ty
jsou dány konstrukcí zařízení a nemusejí být pro regulační účely vždy nejvhodnější. V
některých případech je možné určitými konstrukčními úpravami dosáhnout vlastností
vhodnějších pro regulaci, jindy to možné není.
Důležitou vlastností regulovaných soustav je jejich schopnost hromadit hmotu nebo energii.
Říkáme, že soustavy mají kapacitu. Podle průběhu odezvy na skokovou změnu (podle tvaru
přechodové charakteristiky) rozdělujeme regulované soustavy do dvou skupin – na statické a
astatické.
3.1. Statické regulované soustavy
Statické regulované soustavy jsou charakteristické tím, že po skokové změně akční veličiny se
jejich regulovaná veličina sama ustálí na nové hodnotě.
3.1.1. Bezkapacitní statické regulované soustavy jsou
soustavy, které mají zanedbatelnou kapacitu a nemají proto
schopnost hromadit hmotu ani energii. Působí pouze
vlastním odporem proti průtoku energie. Z toho vyplývá, že
u tohoto typu soustav regulovaná veličina téměř bez
zpoždění sleduje akční veličinu.
Vztah mezi vstupní a výstupní veličinou je dán rovnicí y = Ksx kde Ks je součinitel přenosu
statické soustavy (zesílení). Jako příklad se často uvádí potrubí, ve kterém je průtok ovládán
ventilem. Elektrickým modelem je odporový dělič.
3.1.2. Jednokapacitní statické regulované soustavy se
vyznačují tím, že mají jednu kapacitu, která umožňuje
hromadit energii nebo hmotu. Regulovaná veličina se u těchto
soustav při skokové změně akční veličiny mění ihned s určitou
počáteční rychlostí, úměrnou rozdílu mezi okamžitou
hodnotou a konečnou hodnotou regulované veličiny, až se po
delší době regulovaná veličina ustálí na nové (konečné) hodnotě.
Regulovaná veličina vzrostla o hodnotu Δy = KsΔx, vlastnosti uvedené soustavy lze vyjádřit
matematicky pomocí lineární diferenciální rovnice prvního řádu a1y´ + a0y = x kde a1/a0 = Tn
Příkladem takovéto soustavy může být tlaková nádoba, která se plní vzduchem přes regulační
ventil. Elektrickým modelem je RC článek.
12
3.1.3. Dvoukapacitní statické regulované soustavy můžeme rozdělit do dvou skupin podle
průběhu přechodové charakteristiky, který může být bud' aperiodický (monotónní), nebo
periodický (s tlumenými kmity).
Aperiodický průběh přechodové charakteristiky mají
soustavy, které vzniknou sériovým řazením dvou členů prvního
řádu, například ohřev vody v nádrži. Pouzdro teploměru má
také schopnost hromadit tepelnou energii, je to další člen 1.
řádu. Průběh přechodové charakteristiky uvedené soustavy
zaznamenávaný teploměrem odpovídá dvoukapacitní statické
soustavě.
Vlastnosti statické soustavy 2. řádu charakterizuje součinitele přenosu Ks a dvě časové
konstanty, a to dobu náběhu Tn a dobu průtahu Tu. Doba náběhu je vztažena k inflexnímu
bodu. Doba průtahu Tu je časový úsek, který na časové ose vytne tečna v inflexním bodě
přechodové charakteristiky. Součet doby průtahu a doby náběhu se nazývá doba přechodu Tp.
Elektrickým modelem jsou dva RC členy spojené v kaskádě.
Periodický průběh přechodové charakteristiky mají soustavy,
které obsahují členy druhého řádu (setrvačné hmoty, cívky
apod.). Příkladem takovéto soustavy je regulovaná soustava
tvořená železným jádrem, které je vtahováno do cívky. Cívkou
prochází elektrický proud, a to proti působení pružiny. Akční
veličinou je proud cívky, regulovanou veličinou je zdvih
železného jádra. Skokovou změnou akční veličiny se vyvolá
kmitání regulované veličiny, jehož příčinou je periodická
výměna energie mezi stlačenou pružinou a pohybujícím se jádrem. Periodický průběh
charakterizují také rezonanční kmitočet a překmit. S uvedenou přechodovou charakteristikou
se můžeme velmi často setkat u analogových měřicích přístrojů. Elektrickým modelem je
sériový nebo paralelní RLC člen.
3.1.3. Vícekapacitní statické regulované soustavy obsahují více než dvě kapacity. Jejich
přechodové charakteristiky mají obdobný tvar jako přechodové charakteristiky dvoukapacitní
statické soustavy, a mají tedy i stejné charakteristické veličiny - Ks, Tu, Tn.
3.2. Astatické regulované soustavy
Astatické regulované soustavy jsou charakteristické tím, že po skokové změně akční veličiny se
regulovaná veličina trvale mění, pokud neuvažujeme její omezení dané konstrukcí soustavy. U
těchto soustav se tedy regulovaná veličina samovolně neustálí na nové hodnotě, jak tomu bylo
u statických soustav, ale odchylka od původního rovnovážného stavu se neustále zvětšuje.
Obdobně jako statické soustavy lze i astatické soustavy rozdělit podle počtu kapacit s tou
výjimkou, že neexistuje bezkapacitní astatická soustava.
3.2.1. Jednokapacitní astatické regulované soustavy mají
jednu kapacitu umožňující hromadit energii nebo hmotu.
Regulovaná veličina u těchto soustav při skokové změně akční
veličiny roste úměrně s časem. Rychlost této změny závisí i na
velikosti změny akční veličiny. Vyplývá to ze vztahu Δy = KI
ΔxΔt kde KI je součinitel přenosu.
Nejznámějším příkladem této soustavy je nádrž s nuceným přítokem a odtokem, který
obstarávají čerpadla. Elektrickým modelem je integrující operační zesilovač.
13
3.2.2.
Dvoukapacitní
astatické
regulované
soustavy
charakterizují dvě veličiny, a to součinitel přenosu astatické
soustavy KI a doba průtahu Tu. Definice obou charakteristických
veličin je obdobná jako u soustav statických.
Vlastnosti dvoukapacitní astatické soustavy lze matematicky popsat
diferenciální rovnicí 2. řádu. Dvoukapacitní astatickou soustavu
také nazýváme astatická soustava 2. řádu a2y´´ + a1y´ = x
3.3. Regulované soustavy s dopravním zpožděním
Statické a astatické soustavy mohou mít jednu společnou
vlastnost, a to dopravní zpoždění Jestliže u soustavy s
dopravním zpožděním vyvoláme skokovou změnu akční
veličiny, začne se měnit její regulovaná veličina až po určité
době. Tuto dobu označujeme Tz. Příčinou vzniku dopravního
zpoždění je konečná rychlost šíření signálu regulovanou
soustavou. Dopravní zpoždění je vhodné započítat do doby průtahu T u, která se tím stane
jedinou charakteristickou veličinou vyjadřující veškerá zpoždění v regulované soustavě.
14
4. Měřící členy
Měřící člen má za úkol zjistit skutečnou hodnotu regulované veličiny a převést ji na signál
vhodný pro zpracování regulátorem. Tvoří ho tyto členy:
snímač – zjišťuje skutečnou hodnotu regulované veličiny
převodník – převádí signál ze snímače nejčastěji na elektrický unifikovaný signál
regulovaná
soustava
regulovaná
veličina
měřící
člen
elektrický
signál
regulátor
Základní vlastnosti měřícího členu jsou:
přesnost – přesnost měření musí být vždy větší než požadovaná přesnost regulace
linearita – statická charakteristika měřícího členu má být lineární v celém měřícím rozsahu
rychlost – přechodová charakteristika má být proporcionální bezkapacitní
Snímače je možno dělit podle mnoha kritérií:
a) podle měřené veličiny – snímače teploty, vzdálenosti, otáček, osvětlení, ….
b) podle principu činnosti – odporové, kapacitní, magnetické, zdroje napětí
c) podle charakteru výstupního signálu – analogové, digitální
d) podle působení na měřenou veličinu – kontaktní, bezkontaktní
4.1. Snímače polohy
Snímače polohy jsou používány u mechanických soustav k měření rozměrů, polohy nebo
přemístění a úhlového natočení. Měřenou veličinou je délka (m) nebo úhel (rad).
4.1.1. Odporové snímače polohy
Jsou konstruovány jako proměnné drátové rezistory, uspořádané tak, že měřená poloha L
nastavuje jezdec a tím mění výstupní napětí snímače U2.
Statická charakteristika nezatíženého snímače (1) je
lineární, zatíženého snímače (2) je nelineární a musí být
kompenzována tvarováním odporové dráhy.
Nevýhodou odporového snímače je pohyblivý mechanický
kontakt, který snižuje spolehlivost. Výhodou je nízká cena.
Klasickým řešením lineárního odporového snímače polohy je měření množství paliva v nádrži
automobilu.
Cermetový potenciometr pro snímání úhlu natočení v pouzdře 14x14mm,
linearita 3%, úhel otáčení 265°, životnost 150 000 cyklů
15
4.1.2. Magnetostrikční snímače polohy
Magnetostrikce je fyzikální vlastnost feromagnetických materiálů, jako jsou železo, nikl, kobalt a
jejich slitiny, měnit své rozměry v magnetickém poli (Jouleův jev). Princip magnetostrikčních
snímačů polohy vychází ze dvou dalších magnetomechanických jevů, magnetostrikčního
Wiedemannova a magnetoelastického (Villariho jev). Wiedemannův jev spočívá v tom, že
prochází-li dlouhou a tenkou tyčí z feromagnetického materiálu umístěnou v podélném
magnetickém poli proud, namáhá se tyč krutem. Za Villariho jev se označuje změna
magnetických vlastností, např. permeability, materiálu feromagnetické tyče, která je vyvolána
její deformací v podélném směru.
Základními
částmi
magnetostrikčního
senzoru vzdálenosti jsou feromagnetický
měřicí prvek tvaru tyče označovaný jako
vlnovod (vede torzní ultrazvukovou vlnu k
měniči impulsu) a posuvný permanentní
magnet spjatý se sledovaným objektem,
který vytváří ve vlnovodu podélné
magnetické pole. Při měření vysílá
elektronika senzoru do vlnovodu krátké
proudové
impulsy,
které
vytvářejí
proměnné magnetické pole radiálně
působící okolo vlnovodu a šířící se s
proudovými impulsy podél vlnovodu
rychlostí světla. V místě, kde se radiální
magnetické pole setká s podélným
magnetickým polem pracovního magnetu,
dojde podle Wiedemannova jevu k mechanické torzní deformaci feromagnetického vlnovodu.
Tím vznikne mechanický torzní impuls, který se šíří jako ultrazvuková vlna vlnovodem od místa
vzniku k oběma jeho koncům.
Na druhém konci vlnovodu (v hlavici
snímače) zjišťuje příchod torzní vlny
speciální měnič torzních impulsů, který se
skládá z magnetostrikčního kovového pásku
spojeného s vlnovodem, z indukční snímací
cívky a z pevného permanentního magnetu.
Torzní vlna způsobí podle Villariho jevu
změnu permeability kovového pásku. Ta se
projeví časovou změnou magnetického pole
pevného magnetu, která ve snímací cívce
indukuje elektrický impuls. Protože se torzní
vlna
šíří
vlnovodem
konstantní
ultrazvukovou rychlostí, lze vzdálenost mezi
snímací cívkou a polohou pracovního
magnetu snímače určit z doby, která uplyne
mezi vysláním budicího proudového impulsu
a vznikem elektrického impulsu ve snímací
cívce měniče torzních impulsů
Na
obrázku
snímače
Temposonics
s měřícím rozsahem 50 až 2500 mm,
rozlišení 0.005mm, linearita 0.2%
16
4.1.3. Rezolvery, indukční snímače úhlového natočení
Rezolvery (rozkladače) jsou v principu přesné (mechanicky i elektricky) otočné transformátory.
Primárem transformátoru je jednofázové vinutí na rotoru, výstupem rezolveru jsou dvě napětí se
sinusovými průběhy během jedné otáčky. Jsou fázově posunutá o 90°a dávají informaci o
poloze hřídele.
Rezolver typu ER5Kd268 výrobce ATAS Náchod
přesnost měření úhlu 10’
maximální otáčky 15 000 ot/min
průměr statoru 36 mm
4.1.4. Optické inkrementální snímače úhlového natočení
Princip těchto snímačů spočívá ve clonění světelného toku mezi zdrojem světla a fotocitlivými
prvky. Pro zjištění informace o poloze stačí zjistit počet impulzů z výchozí polohy. Pro zjištění
směru otáčení je nutno použít rotující kotouč, který má dvě řady otvorů, které jsou vůči sobě
posunuty o polovinu šířky otvoru. Klasické uspořádání inkrementálního fotoelektrického
snímače je na obrázku.
Výstupní signál je impulzní. Princip je použit také u mechanické počítačové myši. Dvě
inkrementální čidla snímají otáčení kuličky ve dvou osách.
V jednoduchém provedení může inkrementální čidlo tvořit pouze
kotouček s jedním otvorem, který se otáčí uvnitř optické závory. Čidlo
dává 1 impulz na 1 otáčku hřídele.
Optická závora, rozměry 40x60x12mm, dosah 20mm.
17
4.1.5. Jazýčkové spínače
Jazýčkový spínač je tvořen dvěma plátky (jazýčky) magnetického materiálu, které jsou uloženy
ve skleněné trubici. Vložením do magnetického pole cívky nebo přiblížením permanentního
magnetu se plátky zmagnetují, ohnou se a spínač sepne. Po odstranění magnetického pole
spínač rozepne.
Jazýčkový spínač pr.2.5 x 20mm
kontakty 200V, 1A
citlivost cca 2mT
Statická charakteristika má tvar typické nelineární charakteristiky s hysterezí, dané
magnetickým materiálem jazýčků. Citlivost jazýčkových spínačů je závislá na rozměrech,
citlivost těch nejmenších (pr.1x4mm) může být ovlivněna i magnetickým polem Země, které má
intenzitu cca 50 mikroTesla.
Výstupem jazýčkového spínače je logická hodnota sepnuto / vypnuto. Jazýčkové spínače se
používají v řadě moderních aplikací pro indikaci přítomnosti nějakého předmětu (řidič na
sedadle automobilu, zavřené křídlo okna), magnet upevněný v plováku spíná řetězec jazýčků a
měří výšku hladiny, magnet v lopatce průtokoměru měří počty otáček a tím množství kapaliny.
Výhodou všech aplikací je bezkontaktní snímání.
4.1.6. Mikrospínače.
Z elektrického hlediska jsou mikrospínače konstruovány jako běžné spínače nebo přepínače.
K mechanickému ovládání však slouží přesná vačka nebo páčka, při jejímž přemístění o
desetiny milimetru dojde k sepnutí / rozepnutí spínače.
Výstupem mikrospínače je logická hodnota sepnuto / vypnuto. Mikrospínač je kontaktní čidlo,
síla potřebná k sepnutí je ale velmi malá, řádově gramy. Mikrospínače se používají jako čidla
dosažení nějaké polohy, nejčastěji koncové, často se proto jejich aplikace nazývá koncový
spínač.
Mikrospínače 250V, 5A
zdvih cca 1mm
rozměr 30x16x10mm (20x10x6mm)
4.2. Snímače teploty
Teplota je jedna z nejčastěji regulovaných veličin a pro její měření se používá řada různých
kontaktních i bezkontaktních metod.
- změna elektrického odporu vodiče nebo polovodiče s teplotou
- změna rozměrů kovových součástí s teplotou
- změna vlnové délky (barvy) světla vyzařovaného tělesem při různé teplotě
- termoelektrické napětí dvou různých kovů
Součástí moderních snímačů teploty jsou často analogově – digitální převodníky, takže
výstupem snímače je digitální údaj.
18
4.2.1. Kovové odporové snímače teploty
Atomy v krystalové mřížce kovů s rostoucí teplotou zvětšují amplitudu svých kmitů, a kladou tak
větší odpor průchodu elektronů. To je princip závislosti elektrického odporu kovů na teplotě,
který lze v rozsahu teplot 0 až 100 °C vyjádřit přibližným vztahem Rt = R0(1 + αt) ,kde α je
teplotní součinitel odporu (K–1), t teplota čidla (°C), Rt elektrický odpor čidla při teplotě t (Ω), R0
elektrický odpor čidla při teplotě 0 °C (Ω).
Jako materiál se pro výrobu kovových odporových čidel teploty většinou volí platina pro její
chemickou netečnost, časovou stálost, vysokou teplotu tavení. Vedle platiny jsou to také nikl,
měď, molybden nebo některé slitiny. Základní vlastnosti tří kovů nejčastěji používaných k
výrobě odporových čidel:
Materiál Odpor Ro (Ω) Měřicí rozsah (°C)
Teplotní součinitel odporu α · 10–3 (K–1)
Pt
100
–200 až +850
3,85 až 3,93
Ni
100
–60 až +180
6,17 až 6,70
Cu
100
–200 až +200
4,26 až 4,33
Teplotní závislosti vybraných odporových čidel teploty (Pt, Ni, NTC)
Platinové odporové teploměry se vyrábějí drátkové nebo s použitím techniky tenkých, popř. i
tlustých vrstev. V prvním případě je měřicí rezistor tvořen tenkým drátkem navinutým na vhodné
podložce a vhodně chráněným, např. i zatavením do keramiky nebo skla. Odporové senzory
teploty vyráběné technikou tenkých vrstev, při níž se platinový nebo jiný rezistor vytvoří na
ploché korundové destičce technikou napařování a iontového leptání, mají rychlejší odezvu než
drátkové odpory, obvykle větší odpor a jsou levnější. Drátkové rezistory jsou však stálejší v
čase a lépe odolávají vibracím.
Odporový snímač teploty Pt100
Měřicí rozsah snímače: -50 až +600 °C
Výstupní signál: odporový nebo proudový 4 až 20 mA
19
4.2.2. Termistory, odporové snímače teploty
Čidla teploty z amorfních a polykrystalických polovodičů jsou známa pod názvem termistor.
Podobně jako u kovových se u nich využívá závislost elektrického odporu materiálu na teplotě.
Na rozdíl od kovů je ale princip vodivosti polovodičů odlišný, a proto jsou jiné i vlastnosti těchto
čidel. S rostoucí teplotou koncentrace nosičů náboje roste, a tudíž elektrický odpor
polovodičového materiálu klesá. Zatímco je snaha tento jev u klasických polovodičových
součástek potlačit, u termistorů je naopak snaha ho vhodným materiálovým složením a
způsobem výroby zvýraznit. Teplotní závislost termistorových teploměrů má exponenciální
charakter a lze ji vyjádřit např. vztahem
kde RT je odpor při měřené okolní teplotě T, R0 odpor při vztažné teplotě T0 (obvykle 25°C), B je
materiálová konstanta (téměř nezávislá na teplotě).
Pro některá použití jsou zajímavé velmi malé rozměry tzv. perličkových termistorů, jejichž malá
tepelná kapacita zkracuje časovou konstantu čidla na jednotky sekund, a zvětšuje tak rychlost
jeho odezvy na změny teploty. Často se používají např. pro monitorování povolené teploty
vinutí elektrických strojů. Široké uplatnění mají termistory v měřicích a řídicích obvodech
automobilů např. pro měření teploty provozních kapalin (voda, olej) nebo v klimatizačních a
topných systémech.
Teplotní součinitel odporu je záporný, obvykle -0,03 K-1 až -0,06 K-1.
Běžný rozsah teplot je -50 °C až 150 °C
Široké rozmezí hodnot odporu od 0,1 Ω až několik MΩ
Velká citlivost, malá hmotnost a rozměry
Pro účely měření se nejčastěji používají perličkové termistory ve
skleněném držáku s průměrem perličky 0,2 až 3 mm.
Termistory PTC (pozistory) mají na rozdíl
termistorů kladný teplotní koeficient a velmi
závislost odporu na teplotě. Jejich odpor
teplotou nejprve mírně klesá a po překročení
teploty TTR strmě roste.
od NTC
nelineární
s rostoucí
referenční
Referenční teplota PTC termistorů závisí na chemickém
složení a obvykle se pohybuje v rozsahu 60 až 180 °C.
Použití PTC termistorů plyne z tvaru jejich charakteristiky,
nejčastěji jako dvoustavové senzory pro signalizaci
překročení určité teploty a jako vratné pojistky.
20
4.2.3. Termoelektrické snímače
Termoelektrický článek je tvořen dvěma vodiči z různých kovových materiálů, které jsou na
obou koncích spolu vodivě spojeny. Jestliže se teplota tm jednoho spoje liší od teploty ts
druhého spoje, vzniká termoelektrické napětí a obvodem prochází termoelektrický proud. V
zjednodušené formě lze závislost termoelektrického napětí E na teplotě vyjádřit lineárním
vztahem E = αAB(tm – ts) kde αAB je materiálová konstanta. Ve srovnání s odporovými
snímači jsou ale termočlánky extrémně nelineární.
Typy termočlánků jsou normalizovány:
Typ
Dvojice kovů
Rozsah (oC)
E
J
T
K
N
chromel, konstantan
Fe, konstantan
Cu, konstantan
chromel, alumel
NiCr, Ni
-200 až +900
0 až +760
-200 až +370
-200 až +1260
0 až +1260
Ut (V/ °C)
60
51
40
40
38
S
B
R
PtRh(10%), Pt
PtRh(30%), PtRh(6%)
PtRh(13%), Pt
0 až +1480
0 až +1820
0 až +1480
11
8
12
.
Princip měření a provedení termočlánku
21
4.2.4. Monokrystalické snímače teploty
Pro výrobu křemíkových senzorů se používá polovodič typu N. Pohyblivost volných nosičů
náboje v krystalové mřížce křemíku závisí na teplotě a na počtu příměsí v jednotce objemu.
S rostoucí teplotou dochází vlivem rozptylu nosičů náboje na mřížce polovodiče ke zmenšování
pohyblivosti těchto nosičů, v důsledku čehož narůstá rezistivita, podobně jako je tomu u kovů.
Monokrystalické Si senzory teploty tedy mají kladný teplotní součinitel odporu podobně jako
PTC termistory, princip jejich vodivosti je však odlišný. Křemíkové senzory se obvykle používají
pro rozsah teplot –50 až +150 °C.
Teplotní sensory Microchip
MCP 9700 v pouzdru TO92
TC1047A v pouzdru SOT23
teplotní rozsah –40 až +125 °C, výstup 10mV/°C, přesnost 1%
Monokrystalické snímače jsou vyráběny jako integrované obvody a tak je snadné umístit do
malých pouzder logické obvody. Sensory jsou pak dodávány jako čidla s logickým výstupem
sepnuto / vypnuto s nastavitelnou teplotou spínání. Například sensory TC620 výrobce Microchip
mohou v rozsahu teplot –40 až +125 °C nastavit spínací teploty s přesností 1%.
Snímače řady MCP9800 mají na čipu AD převodník, jehož 12ti bitový výsledek dává rozlišení
až 0.06°C s přesností 0.5% a je předáván po sériové lince I2C.
4.2.5. Srovnání nejpoužívanějších snímačů a metod měření teploty:
Odporový snímač
Termistor
Termočlánek
Monokrystal
Teplota (°C)
-250 až +900
-100 až +450
-270 až 1800
-55 až + 150
Citlivost
4m / °C
několik / °C
desítky V / °C
2mV / °C
Přesnost (°C)
0.01
0.1
0.5
1
Rychlost (s)
1 až 10
1 až 5
menší než 1
4 až 60
Výstup
odpor
odpor
napětí
napětí, digitální
Napájení
proudový zdroj
napětí
--
napětí
Cena (Kč)
500 až 20 000
20 až 200
20 až 1000
20 až 200
Literatura: Microchip Inc., AN679, Temperature Sensing Technologies
22
4.3. Snímače osvětlení
Intenzita osvětlení je fotometrická veličina, je definovaná jako světelný tok dopadající na určitou
plochu. Je tedy podílem světelného toku (v lumenech) a plochy (v metrech čtverečních). Značí
se E. Osvětlení je nepřímo úměrné čtverci vzdálenosti a je tím slabší, čím šikměji paprsky
dopadají.
Jednotkou osvětlení je lux (lx), což je osvětlení způsobené světelným tokem 1 lm dopadajícím
kolmo na plochu 1 m².
Běžná hodnota osvětlení ve vnitřních prostorách se pohybuje v rozmezí 100–2000 lx, ve
slunečný letní den na volném prostranství lze naměřit hodnoty větší než 70 000 lx
4.3.1. Fotorezistory
Fotorezistor (dříve označován jako fotoodpor) je pasivní elektronická součástka bez PN
přechodu, jejíž elektrický odpor se snižuje se zvyšující se intenzitou dopadajícího světla.
Odpor se zmenšuje v závislosti na intenzitě osvětlení přibližně exponenciálně (klesne většinou
o několik řádů), ale do jisté míry jej lze velice dobře linearizovat. Grafem závislosti velikosti
elektrického odporu na osvětlení je v logaritmickém měřítku přímka. V závislosti na typu
použitého materiálu lze fotorezistorem detekovat jak viditelné, tak i ultrafialové a infračervené
světlo.
Polovodič
Citlivost [nm]
Sirník zinečnatý (ZnS)
340
Sirník kademnatý (CdS)
520
Selenid kademnatý (CdSe)
690
Telurid kademnatý (CdTe)
830
Křemík (Si)
1100
Germanium (Ge)
1580
Sirník olovnatý (PbS)
3350
Arsenid india (InAr)
3540
Telurid olovnatý (PbTe)
4130
Antimonid india (InSb)
6900
Fotorezistory mají poměrně pomalou odezvu na změnu osvětlení, která se mění s jeho
intenzitou. Směrem k větším vlnovým délkám a s velikostí osvětlení se odezva fotorezistoru
zrychluje. Rychlost odezvy závisí na použitém materiálu. Nejdelší odezvu přibližně 100 ms má
sirník kademnatý (CdS) a nejkratší asi 10 ms má antimonid india (InSb).
Fotorezistor FW200
R01 = 85k@ 1 lx , R10 = 8.3k@ 10 lx
ton = 35ms
průměr 14mm
23
4.3.2. Fotodiody a fototranzistory
Fotodioda je plošná polovodičová dioda, konstrukčně upravená tak, aby do oblasti PN
přechodu pronikalo světlo. Není-li přechod osvětlen, má voltampérová charakteristika stejný
průběh, jako charakteristika běžné diody. Dioda se tedy chová jako pasivní součástka, jejíž
elektrický odpor v závěrném směru je závislý na osvětlení. Fotodioda reaguje na změny
osvětlení velmi rychle, řádově 10-6 až 10-9 s.
PN fotodiody můžeme využívat v celé oblasti viditelného záření, nejčastěji však bývají
využívány v červené nebo infračervené oblasti, kde mají největší citlivost.
Fotodioda BPW34 (Siemens, Vishay)
Ur = 32V
citlivé spektrum 400 až 1100 nm, max. 850 nm
citlivost 80nA / lx
rozměr 4x4 mm
Fototranzistor je bipolární křemíkový tranzistor, jehož emitorový přechod je přístupný světlu.
Zapojuje se se společným emitorem, vnější zdroj se připojuje mezi kolektor a emitor. Báze
zpravidla nebývá vyvedena. Princip spočívá v tom, že emitorový přechod je otvírán osvětlením,
počet uvolněných nosičů se zvětšuje úměrně s osvětlením a je zesilován jako proud báze v
bipolárním tranzistoru. Vlivem tohoto zesilovacího účinku mají fototranzistory větší citlivost na
osvětlení než fotodiody. Neozářeným fototranzistorem prochází kolektorový proud, který je
určen zbytkovým proudem tranzistoru ICE0. Voltampérové charakteristiky mají tvar výstupních
charakteristik bipolárního tranzistoru, parametrem je zde namísto proudu báze osvětlení E.
Fototranzistor Osram SFH310
zbytkový proud ICEO = 1nA
ION = 3mA @ 0.5mW/cm2, =950nm
průměr 3mm
24
4.4. Snímače otáčivé rychlosti
4.4.1. Tachodynama a tachogenerátory.
Tachodynamo je elektrický stroj, kde se v magnetickém poli statoru otáčí rotorové cívky.
V cívkách se indukuje střídavé napětí, jež je pomocí komutátoru vyvedeno na vývody dynama.
Komutátor přepíná póly cívky tak, aby bylo na vývodech napětí stejné polarity. Protože vinutí
rotoru má více cívek, jejichž napětí se sčítá, je výstupní napětí dynama téměř stejnosměrné
s malým zvlněním. Napětí dynama je závislé na otáčkách n a magnetickém toku statoru Φ
Tachodynamo ATAS K5A7
rozsah otáček 0 – 6000 ot/min
strmost statické charakteristiky 20V/1000 ot/min
linearita 1%
rozměry pr.60x100 mm
Tachogenerátor je malý synchronní elektrický stroj, ve kterém je otáčením permanentního
magnetu uvnitř statorového vinutí indukováno elektrické napětí, jehož frekvence je přímo
úměrná otáčkám. Protože tachogenerátor neobsahuje komutátor, je jeho výhodou vyšší
životnost a spolehlivost.
Tachogenerátor ATAS J13A
rozsah otáček 1000 – 10 000 ot/min
výstupní kmitočet 50Hz při 1000 ot/min
rozměry pr.72 x 70mm
4.4.2. Inkrementální čidla a světelné závory
Konstrukčně jsou snímače otáček řešeny shodně se snímači polohy podle článku 4.1.4. Měřená
veličina otáčivé rychlosti je získána měřením kmitočtu výstupních impulzů čítačem.
Princip měření otáček DC motoru na demonstračním
kitu Microchip DM 163029
Na hřídeli DC motoru je připevněn kotouček se dvěma
otvory, které jednou za jednu otáčku propustí světelný
paprsek, který sepne fototranzistor. Počet sepnutí za
jednu minutu udává dvojnásobek hodnoty otáček
motoru.
25
4.5. Ostatní snímače
4.5.1. Snímače síly
Snímače síly využívají dva základní principy:
a) deformace měrného tělíska
Působením síly na těleso dojde k jeho deformaci, většinou se těleso ohýbá. Deformace se měří
pomocí tenzometru.
Tenzometry odporové nebo polovodičové jsou pasivní čidla nalepená na povrchu součásti
(páskové tenzometry) nebo pevně spojená s měřeným tělesem (průmyslové tenzometry pro
váhy, trvalé sledování mostních konstrukcí), která převádějí mechanickou deformaci na změnu
elektrického odporu.
Tenzometr měří tah i tlak, měřící rozsah cca 10N až jednotky MN, přesnost 0,03 až 1%.
Nevýhodou je malá přetížitelnost a ovlivňování měřeného objektu (kontaktní snímač).
b) piezoelektrický jev
Piezoelektrický jev je schopnost krystalu generovat
elektrické napětí při jeho deformování. Nejznámější
piezoelektrickou látkou je monokrystalický křemen.
Deformací se ionty opačných nábojů posunou v krystalové
mřížce tak, že elektrická těžiště záporných a kladných iontů,
která v nezdeformovaném krystalu souhlasí, se od sebe
vzdálí a na plochách krystalu se objeví elektrický náboj.
Snímač měří jen tlak (tah jen speciální „předepnuté“
snímače), rozsah jednotky až stovky kN, přesnost cca 1%.
Výhodou je miniaturní provedení i pro velké síly a
přetížitelnost. Nevýhodou je obtížné využití pro statické
zatížení.
4.5.2. Snímače tlaku, kroutícího momentu, zrychlení
Měření všech tří zmíněných fyzikálních veličin se převádí na měření síly s využitím principu
deformace nebo piezoelektrického jevu.
Rozsah momentu jednotky Nm až jednotky kNm, otáčky až 24000 ot/min
Rozsah zrychlení jednotky G až cca 50 000 G, frekvenční rozsah od 1 Hz až desítky kHz
26
4.5.3. Hallova sonda, snímač magnetického pole
Vložíme-li vodivou destičku (GaAs, Si), kterou protéká
elektrický proud I, do magnetického pole s magnetickou
indukcí B, kolmou na směr proudu, pak ve třetím směru,
kolmém na směr proudu a zároveň na směr
magnetického pole změříme potenciálový rozdíl VH = RH
* I * B , kde RH je Hallova konstanta, závislá na typu
polovodiče a rozměrech destičky.
Hallova sonda Infineon TLE4905L
napájecí napětí 24V
citlivost 15 mT
rozměry 4x3x1.5 mm
Hallovy sondy se vyrábějí jako monolitické integrované obvody na jednom čipu s proudovým
zdrojem a operačním zesilovačem. Hallovy spínače mají výstupní signál upraven Schmittovým
klopným obvodem. Používají se jako snímače polohy, rychlosti a směru otáčení,
v elektromotorech s elektronickou komutací.
4.5.4. A mnoho dalších
Detektory kapalin a plynů měří přítomnost případně koncentraci plynů nebo kapalin, většinou
toxických. Pracují na principu měření elektrické vodivosti média.
Měřiče ionizujícího záření (dozimetry) používají jako detektor Geiger-Müllerovu trubici, která
detekuje prolétající částice, jejichž množství je pak elektronicky počítáno.
Gyroskop je setrvačník, otáčející se v ložiscích s nepatrným třením. Otáčející se setrvačník má
moment hybnosti, takže jeho osa bez působení vnějších sil udržuje stále stejný směr a dokáže
určit svoji orientaci v prostoru. Obvykle je setrvačník uložen v Cardanových závěsech a má 3
stupně volnosti. Pro tuto vlastnost je hojně využíván např. v letectví (umělý horizont).
Mikrofon (uhlíkový, dynamický, piezoelektrický) mění akustický tlak na elektrický signál.
V bezpečnostních systémech je signál z mikrofonu analyzován a může být tak rozpoznán zvuk
rozbíjeného skla, kroky a hlasy osob.
27
5. Akční členy
Akční členy jsou prvky na konci řetězce zpracování informace. Nastavují velikost akční veličiny,
tj. realizují vstup do regulované soustavy. Jejich nejčastějšími představiteli jsou pohony a na ně
navazující regulační orgány.
Akční člen je technické zařízení, které přenáší výstupní signál z regulátoru do regulované
soustavy, tj. mění hodnotu nějaké technologické veličiny podle hodnoty výstupu z regulátoru.
Akční členy mohou být dvoupolohové nebo spojité. Dvoupolohové se mohou nastavovat
pouze do dvou poloh, obvykle "otevřeno" a "uzavřeno" a hodí se pouze pro méně náročné
regulace a pro logické řízení. Spojité akční členy se mohou nastavovat podle hodnoty řídicího
signálu do jakékoli polohy mezi danými mezemi.
5.1. Relé
Elektromagnetické relé je elektrická součástka, která obsahuje elektromagneticky ovládané
vypínače. V blízkosti elektromagnetu tvořeného cívkou a jádrem z magneticky měkké oceli je
pohyblivá kotva, rovněž z magneticky měkké oceli. Kotva se dotýká pružných kontaktů, k nimž
je připojen obvod ovládaného zařízení. Jakmile elektromagnetem začne procházet ovládací
proud, jádro cívky se zmagnetizuje a přitáhne kotvu relé, čímž se sepnou pružné kontakty. Tím
je ovládané zařízení uvedeno do chodu. Přitom k přitažení kotvy postačuje mnohem menší
ovládací proud, než je proud, který prochází obvodem ovládaného zařízení.
kontakty spínací (NO – Normaly Open)
kontakty rozpínací (NC – Normaly Closed)
Relé je možné rozlišit podle:
- druhů kontaktů (spínací, rozpínací, přepínací),
- spínaných výkonů, napětí, proudů (schopnosti pracovat na střídavý proud)
- činnosti (polarizované relé, bistabilní relé, relé se zpožděným přítahem nebo odpadem)
relé Takamisawa RY24W
napětí cívky 24V DC
kontakty 2x přepínací
proud kontaktů 1A
rozměry 20x10x12 mm
jazýčkové relé Cosmo
napětí cívky 5V DC
kontakty 1x spínací
proud kontaktů 0.5A
pouzdro DIL14
Stykač je zařízení pro spínání nebo rozepínání elektrického
obvodu. Stykač funguje v principu jako relé, je však na rozdíl od
relé určen pro oblasti silnoproudé elektrotechniky.
28
5.2. Elektromotory
Elektromotor je elektrický, obvykle točivý stroj, měnící elektrickou energii na mechanickou práci.
Základním principem, na němž jsou elektromotory založeny, je silové působení na vodič
protékaný elektrickým proudem, který je uložen v magnetickém poli (F=B.I.l – jednotky N; T, A,
m) a současně indukované napětí ve vodiči, který se pohybuje v magnetickém poli (U=B.l.v –
jednotky V; T, m, m.s−1). Magnetické pole je vytvářeno průchodem proudu závity cívky nebo
permanentními elektromagnety.
Točivý stroj má dvě části:
Stator je pevná, obvykle vnější, část stroje. Na statoru bývají upevněny cívky vinutí
s magnetickým obvodem nebo permanentní magnety. V dutině statoru je pohyblivě umístěn
rotor.
Rotor je otočná část stroje s magnetickým obvodem, vinutím a hřídelí na které jsou nasazeny
kroužky nebo komutátor.
5.2.1. Stejnosměrné motory s permanentním magnetem na statoru
Statoru motoru tvoří permanentní magnet, rotor je složen z plechů, v jehož drážkách je
umístěno vinutí. Jednotlivé cívky vinutí rotoru jsou připojeny k měděným vzájemně izolovaným
lamelám komutátoru. Na komutátor dosedají kartáče, umístěné ve speciálních držácích, jimiž se
přivádí proud do vinutí rotoru. Mechanický komutátor otáčí směr proudu v cívce, aby moment,
působící na vodič, otáčel cívkou stále v témže směru.
Výhodou DC motorů s permanentním magnetem je lineární regulační charakteristika.
Nevýhodou je mechanický komutátor, který omezuje životnost motoru a je zdrojem
elektromagnetického rušení.
Motor Atas P2TV
výkon 80W, napětí 24 VDC
otáčky 3000 ot/min
rozměry pr.80x195mm
29
Řízení stejnosměrného motoru
Řízení otáček je poměrně snadné především u stejnosměrných motorů s permanentním
magnetem. Je možno dokázat lineární závislost otáček na momentu motoru, z čehož vyplývají
možnosti regulace otáček motoru. Výhodné je tyto otáčky regulovat napětím připojeným ke
kotvě, neboť i zde je závislost lineární. Plynulá změna napětí na motoru však není vhodná z
energetického hlediska.
Změnu napětí lze také realizovat rychlou změnou plného napětí na motoru. Motor jako
setrvačný stroj nestačí tuto rychlou změnu sledovat a jeho otáčky budou úměrné střední
hodnotě protékaného proudu. Zapojením čtyř spínačů podle obrázku se dosáhne možnosti
měnit i směr otáčení motoru. Spínače TK1 až TK4 jsou ovládány řídicími napětími, která
zajišťují jejich otevírání tak, aby byly nastaveny otáčky motoru na žádanou hodnotu.
Obvod L6203 obsahuje čtyři MOSFET spínače, zapojené do dvou půlmůstků a je určen pro
symetrické řízení otáček stejnosměrného motoru metodou PWM. Obvod dále obsahuje
nezbytné ochranné diody, ovládací a ochranné obvody.
Dva řídící vstupy (IN1 a IN2) jsou plně kompatibilní s TTL a každý ovládá jeden půlmůstek.
Vnitřní logika ovládání koncových spínačů automaticky zabraňuje sepnutí obou spínačů v
jednom půlmůstku a tím zničení obvodu. Vstup ENABLE umožňuje okamžité uzavření všech
spínacích tranzistorů. Výkonová část spínačů je vyvedena na výstup SENSE, který je možné
použít na proudovou ochranu připojeného motoru.
30
5.2.2. Elektronicky komutované motory
Kartáče i komutátor se vlivem tření a jiskření obrušují a proto mají komutátorové motory krátkou
životnost. Mechanický komutátor lze nahradit bezkontaktním elektronickým.
Točivý moment motoru vzniká vzájemným působením magnetického pole otočného
permanentního magnetu a proudu v nepohyblivém vinutí statoru. Pro vznik točivého momentu
je však nutné, aby nepohyblivé vinutí vytvářelo točivé magnetické pole, takže je třeba toto vinutí
realizovat nejméně ve třech fázích. Pro zajištění správného napájení konkrétní fáze je nutné
znát relativní polohu rotoru vůči poli statoru. Za tím účelem se nejčastěji používají tři Hallovy
senzory rozložené po 120 stupních na obvodu statoru.
Konstrukce BLDC (Brushless DC) motoru Maxon,
Elektronicky komutovaný motor ATAS G66UF
jmenovitý výkon 190 W
jmenovité otáčky 120 ot/min
absolutní čidlo polohy 3072 impulzů / ot
šneková převodovka 1 : 40
polohový, rychlostní nebo momentový režim
rozměry pr. 120 x 246 mm
hmotnost 5,3 kg
5.2.3. Krokové motory
Krokový motor je synchronní točivý stroj většinou napájený impulsy stejnosměrného proudu.
Magnetické pole je generováno postupným napájením jednotlivých pólových dvojic. Pohyb
rotoru krokového motoru je při nízkých rychlostech nespojitý, rotor se pohybuje mezi stabilními
polohami vždy v určitém úhlu – mluvíme o pohybu v krocích. Počet kroků (stabilních klidových
poloh) je dán počtem pólových dvojic, rovněž může být ovlivněn způsobem ovládání. K pohybu
tohoto motoru je vždy třeba řídící elektronika – ovladač krokového motoru. Vyznačují se velkou
mechanickou odolností, dlouhou dobou života a provozem téměř bez údržby. Nevýhodou
krokových motorů je tzv. ztráta kroku, která nastává při překročení mezního zatížení a sklon k
mechanickému zakmitávání, které může vést k nestabilitě při pohybu.
31
Řízení unipolárního čtyřfázového krokového motoru
wave drive
- proud prochází jen jednou cívkou
- plný krok
full step drive
- proud prochází dvěma sousedními cívkami
- plný krok
- cca 1.5x větší moment
half step drive
- proud střídavě jednou a dvěma cívkami
- poloviční krok
microstepping
- proud dvěma sousedními cívkami
- velikost proudu v cívkách se mění
- mikrokrok je 1/8 (1/16) plného kroku
Momentová charakteristika M=f(f) krokového motoru
a - charakteristika start – stop, zatížený krokový motor může měnit otáčky „skokově“
b - charakteristika omezené řiditelnosti – změny otáček motoru musí být plynulé
Krokový motor SANYO H7126
počet fází 4 unipolárně, 2 bipolárně
statický moment 165 Ncm
krok 1,8 ±0,9 °
hmotnost 1 kg
rozměry 56x56x76 mm
32
6. Regulátory, ústřední členy regulačního obvodu
Regulátor působí pomocí akční veličiny na soustavu tak, aby regulační odchylka byla co
nejmenší. Z hlediska kvality regulace je nejdůležitější částí regulátoru jeho ústřední člen.
Návrh ústředního členu regulátoru je hlavním cílem syntézy regulačního obvodu.
6.1. Rozdělení regulátorů
6.1.1. Podle druhu energie, která napájí samotný regulátor
- přímé, nemají vlastní zdroj energie, využívají energii odebíranou ze soustavy
- nepřímé, složitější regulátory, obsahují vždy zesilovač, kvalita regulace je lepší
6.1.2. Podle charakteru výstupního signálu
- spojité, výstupní veličina se mění plynule v čase
- nespojité, výstup se mění skokem, podle počtu pevných poloh dvou a více polohové
6.1.3.Podle pomocné energie
- mechanické, většinou jednoduché přímé regulátory (regulátor hladiny ve splachovači).
- elektrické, dnes nejobvyklejší, přesné, rychlé, mohou spolupracovat s výpočetní technikou
- pneumatické, vhodné do prostředí s nebezpečím výbuchu
- hydraulické, vhodné pro velké výkony
33
6.2. Spojité regulátory
Regulátor proporcionální, typ P
Nejpoužívanější regulátor vzhledem k jeho jednoduchosti. Přesnost regulace závisí na jeho
zesílení Kp=R2/R1. Výhodou je stabilita, nevýhodou trvalá regulační odchylka.
Prop
Regulátor integrační, typ I
Umožňuje zcela odstranit regulační odchylku. Základní nevýhodou je pokles zesílení se
zvyšující se frekvencí, takže regulátor pomalu odstraňuje poruchy. Nelze jej použít u astatických
soustav, neboť regulační obvod je nestabilní.
Regulátor derivační, typ D
Samotný derivační regulátor nezesiluje regulační odchylku, a musí být proto vždy kombinován
s proporcionálním nebo integračním regulátorem. V této kombinaci zrychluje regulaci a zvyšuje
stabilitu.
34
Regulátor proporcionálně integrační, typ PI
Vzniká paralelní kombinací regulátorů P a I a je nejrozšířenějším kombinovaným regulátorem.
Úplně odstraňuje regulační odchylku. Regulátor se nejvíce používá při regulaci kmitavých
soustav druhého a vyšších řádů.
Regulátor proporcionálně derivační, typ PD
Je vhodný všude tam, kde vyhovuje regulátor P. Jeho předností je větší rychlost regulace, což
se projevuje potlačením rychlých překmitů regulované veličiny a zvláště v případech, kdy jsou
časté poruchy vstupující do regulované soustavy. Vhodnou volbou časové konstanty je někdy
možné snížit řád regulované soustavy a zvýšit tak stabilitu regulačního obvodu.
Regulátor proporcionálně integračně derivační, typ PID
PID regulátor je vhodný všude kde regulátor PI. Oproti regulátoru PI je rychlejší, takže lépe
tlumí rychlé překmity regulované veličiny, vstupující zvláště při četných poruchách do
regulované soustavy. Z důvodu velké složitosti se používá pouze v odůvodněných případech.
35
Vliv složek P, I, D na regulační děj
Výchozí regulátor P,
regulační odchylku
je
stabilní,
má
trvalou
Derivační složka regulátoru zrychlí odezvu na
poruchu, regulovaná veličina dříve dosáhne
požadované hodnoty, trvalá regulační odchylka
zůstane, stabilita se může zhoršit.
Integrační složka regulátoru zcela odstraní
regulační odchylku, regulátor je přesnější, může být
pomalejší.
6.3. Nespojité regulátory
Za nespojitý regulátor považujeme takový regulátor, jehož závislost výstupního signálu na
vstupním není spojitá. Akční veličina se nemění spojitě a může nabývat jen konečného počtu
hodnot. (nejčastěji dvou)
Příklad dvoupolohového regulátoru teploty. Regulovaná veličina y se mění mezi dvěma
nastavenými hodnotami Yh a Yd, akční veličina nabývá jen dvou hodnot 0 a Umax.
36
7. Programovatelné automaty
7.1. Historie a rozdělení PLC
Programovatelný logický automat neboli PLC (z anglického Programmable Logic Controller) je
relativně malý průmyslový počítač používaný pro automatizaci procesů v reálném čase – řízení
strojů nebo výrobních linek v továrně.
Řídicí systémy NC (Numeric Control) strojů z let 1980, které řešily úlohu řízení technologického
procesu pevnou logickou sítí, byly sestaveny z logických obvodů, nejčastěji z logické stavebnice
Texas Instruments SN74xx (v Československu řada MH74xx).
Řídicí systém MEZ Náchod (dnes Atas)
příčného posuvu brusky. Řídí rychlost a
polohu přísuvu brusného kotouče ve fázích
rychloposuvu bez broušení, posuvu při
broušení a vyjiskřování s přesností 1m.
Akčním členem je krokový motor, snímačem
polohy i rychlosti je rotační inkrementální
čidlo 200impůlzů na 1 otáčku.
Rozměry cca 45x30x40cm.
Dalším krokem ve vývoji řídicích systémů bylo nahrazení pevné logiky mikrořadičem, nejprve
samozřejmě osmibitovým. S ohledem na trh procesorů a mikrořadičů byl nejčastěji používán
procesor Intel I8080 a mikrořadič I8085 a jeho klony, později se rozšířilo použití mikrořadičů
Microchip PIC16C a PIC18C. Výhodou řešení je snadné přizpůsobení řídicího systému bez
nutnosti zásahu do hardwaru. Program byl uložen v paměti PROM (jinak OTP, One Time
Programmable) a nebylo možné ho měnit. S rozvojem pamětí Flash je možné program v již
hotovém výrobku upravit (Upgrade).
Tiskařský stroj KBA Graphitec s řídicím
systémem pro barevný tisk. 21 servomotorů
s mikrořadičem PIC16C v každé tiskařské
pozici je ovládáno po sběrnici SPI (Serial
Peripheral Interface) z řídícího počítače a
nahrazuje manuální nastavení barevnic.
PLC automaty jsou odlišné od běžných počítačů tím, že zpracovávají program cyklicky. Jejich
periferie jsou přímo uzpůsobeny pro napojení na technologické procesy. Převážnou část
periferií v tomto případě tvoří digitální vstupy (DI) a digitální výstupy (DO). Pro další zpracování
signálů a napojení na technologii jsou určeny analogové vstupy (AI) a analogové výstupy (AO)
pro zpracování spojitých signálů. S rozvojem automatizace v průmyslu jsou používány i další
moduly periferních jednotek připojitelných k PLC, které jsou nazývány funkčními moduly (FM)
např. pro polohování, komunikaci, pro sběr a přenos dat a další specifické moduly podle
výrobce konkrétního systému.
37
Podle konstrukce se PLC dělí na kompaktní a modulární
Kompaktní systém v jednom modulu obsahuje CPU (Central Procesor
Unit), digitální a analogové vstupy/výstupy a základní podporu
komunikace, v některých případech i zdroj.
Kompaktní Siemens LOGO! obsahuje CPU, 8 binárních vstupů, z nichž 2
mohou být i analogové, 4 binární výstupy a možnost zadávání programu
přímo tlačítky na automatu.
Modulární systém má jednotlivé komponenty celku rozděleny do modulů: CPU (poskytuje
automatu inteligenci, realizuje soubor instrukcí a systémových služeb, zajišťuje i základní
komunikační funkce mezi moduly a s programovacím přístrojem), vstupy/výstupy, funkční
moduly, zdroje. Modulární systém je možno dále rozšiřovat.
Modulární System 2003 firmy B&R může být sestaven z modulů:
CP430 - CPU, 100kB SRAM, 256kB Flash, RS232, CAN, 64digit/32 analog I/O, příkon 7W
AF101 – adapter pro připojení až čtyř dalších modulů (připojen AT324), příkon 0.3W
AT324 – modul čtyř vstupů pro čidla teploty, 16bit AD převodník, příkon 0.1W
DM435 – 8 digitálních vstupů 24V, 8 digitálních výstupů 24V/0.5A, příkon 0.5W
První používané PLC byly převážně schopny zpracovávat binární logiku řízení, jejich prvotním
cílem byla náhrada automatů s pevnou logikou. Postupně se s rozvojem polovodičových
součástek rozšiřovalo spektrum použitelnosti těchto systémů na zpracování analogových
signálů, matematických funkcí (zprvu v pevné řádové čárce, postupně v plovoucí řádové čárce)
až po možnost realizace složitých systémů řízení obsahující zpracování binárních signálů,
analogových hodnot, komunikaci s jinými systémy, přenos dat, archivaci naměřených hodnot,
vlastní diagnostiku, tiskové výstupy atd.
Orientačně se cena malých kompaktních systémů pohybuje v cenách od 2 000 – 10 000 Kč,
cena velkých a výkonově vyšších systémů v rozsáhlé konfiguraci může dosahovat částek
500000 Kč i vyšších.
38
7.2. Programování PLC
Program PLC je posloupnost instrukcí a příkazů jazyka. Typickým režimem jeho aktivace je
cyklické vykonávání v programové smyčce. Vždy po vykonání poslední instrukce uživatelského
programu je předáno řízení systémovému programu, který provede tzv. otočku cyklu. V ní
nejprve aktualizuje hodnoty výstupů a vstupů, dále aktualizuje časové údaje pro časovače a
systémové registry, ošetří komunikaci a provede ještě řadu režijních úkonů. Po otočce cyklu je
opět předáno řízení prvé instrukci uživatelského programu.
Programovací jazyky PLC
K programování nabízejí PLC systémy specializované jazyky. Jazyky systémů různých výrobců
jsou podobné, nikoliv však stejné, přenositelnost programů mezi PLC různých výrobců není
možná. Mezinárodní norma IEC 61131-3 sjednocuje programovací jazyky pro PLC a kodifikuje
čtyři typy jazyků.
jazyk mnemokódů IL (Instructions List) je obdobou assembleru u počítačů, a je také strojově
orientován. Jazyky mnemokódů poskytují i obvyklé symbolické označení návěští pro cíle skoků
a volání, symbolická jména pro číselné hodnoty, pro pojmenování vstupních, výstupních a
vnitřních proměnných a jiných objektů programu.
Label:
LD
ANA
MUL
ST
LD
ANA
ADD
ST
in2
2
temp
in1
temp
SUBPRO
(* result := ana (in2) *)
(* result := 2*ana (in2) *)
(* temp := result *)
(* result := 2*ana (in2) + ana (in1) *)
(* return the current result *)
jazyk kontaktních(reléových) schémat LD (Ladder Diagram) je grafický. Program se základními
logickými operacemi zobrazuje schéma ve formě obvyklé pro kreslení schémat při práci s
reléovými a kontaktními prvky. Jazyk kontaktních schémat je výhodný při programování
nejjednodušších logických úloh a v případech, kdy s ním pracuje personál, který nezná tradiční
počítačové programování.
39
jazyk logických schémat FBD (Function Block Diagram) je grafický. Základní logické operace
popisuje značkami, obdobnými schematickým značkám integrovaných logických obvodů.
Značky mají i ucelené funkční bloky, např. čítače, časovače, posuvné registry, paměťové členy.
jazyk strukturovaného textu ST (Structured Text) je obdobou vyšších programovacích jazyků
pro PC (např. Pascal nebo C). Je objektově orientován, umožňuje úsporný a názorný zápis i
náročných algoritmů.
CASE Var1 OF
1, 5: Var2 := 10;
2: Var2 := 20;
6..9: Var2 := 30;
ELSE Var2 := 40;
END_CASE;
jazyk ANSI C / C++ (American National Standard Institute) je většinou používán pro vytváření
problémově orientovaných programů s výpočty a novými algoritmy nebo při použití již
existujících zdrojových textů v jazyku C.
#include
"htg_global.h"
/*--- functions ----------------------------------------------------*/
_CYCLIC void CYChtg_all(void)
/*--- cyclic part of the task -------------*/
{
/*--- check all heating zones for errors ---*/
for (i_zone=0; i_zone< (sizeof(gHZGzone)/sizeof(gHZGzone[0])) ; i_zone++)
{
if (gHZGzone[i_zone].Error == 0)
/* zone is working correctly
*/
myErrCount= 0;
else
/* error zone
*/
{ myErrCount++;
/* ..handle error variable
*/
HTGsetUnhappy();
HTGcryForHelp();
/* execute help handling
*/
} /* if .Error */
} /* for i_zone */
} /* CYChtg_all() */
/*--- end of task ----------------------------------------------------------------------------------*/
40
7.3. Vývojové prostředí pro programování PLC
Vývojové systémy pro PLC jsou určeny nejen pro programování, tj. zapsání a opravy programu, jeho
odladění, dokumentování a archivaci – nejsou jen programovacím prostředím. Vyspělé vývojové systémy
dovolují vytvářet komplexní řídicí systémy, jejichž součástí jsou programovatelné automaty. Vývojový
systém dovolí konfigurovat PLC, popsat sestavu základního modulu i rozšiřujících modulů a modulů
vzdálených vstupů a výstupů, přiřadit proměnné k jednotlivým vstupům a výstupům.
Vývojové systémy poskytují možnost popsat i distribuované řídicí systémy sestavené z několika PLC
včetně komunikace mezi podsystémy a vytvořit programy pro jednotlivé PLC. Již nejde o
naprogramování jednoho PLC, ale o vytvoření projektu řídicího systému, včetně jeho dokumentace.
Významná je možnost simulovaného běhu programu PLC, která dovoluje ladit program v předstihu, před
připojením reálného PLC. Komunikační možnosti současných PLC a vývojových systémů dovolují i práci
na dálku, dálkovou diagnostiku, vzdálenou správu programů PLC, komunikaci programu PLC s
operátorským rozhraním a s vizualizačními systémy.
Ukázky založení projektu, konfigurace modulu CPU a simulace projektu „Cofee Machine“ ve vývojovém
prostředí Automation Studio firmy B@R.
41
8. Průmyslové sběrnice
Průmyslové sběrnice jsou v současnosti v technickém světě důležitým nástrojem pro sběr,
distribuci a vyhodnocení dat různého informačního charakteru. Slouží především pro měření
fyzikálních veličin pomocí senzorových systémů nebo elektronické řízení nějakého technického
systému, např. dopravního prostředku, energetického či telekomunikačního zařízení.
8.1. Sběrnice RS-232
Standard RS-232, resp. jeho poslední varianta RS-232C z roku 1969, se používá jako
komunikační rozhraní osobních počítačů a další elektroniky. RS-232 umožňuje propojení a
vzájemnou sériovou komunikaci dvou zařízení tím, že jednotlivé bity přenášených dat jsou
vysílány postupně za sebou po jednom páru vodičů v každém směru.
V průmyslu je tento standard, především jeho modifikace RS-422 a
RS-485, velice rozšířen a pro své specifické rysy tomu tak bude i
nadále. Na rozdíl od komplexnějších sběrnic standard RS-232 pouze
definuje, jak přenést určitou sekvenci bitů a nezabývá se už vyššími
vrstvami komunikace. Představuje tedy pouze fyzickou vrstvu.
Linka RS-232 bývá vyvedena pomocí konektoru D-SUB-9
Pořadí přenosu datových bitů je od nejméně významného bitu (LSB) po bit nejvýznamnější
(MSB). Počet datových bitů je volitelný, obvykle se používá 8 bitů. Logický stav 0/1
přenášených dat je reprezentován pomocí dvou možných úrovní napětí. Nejčastěji se používá
varianta, při které logické hodnotě 1 odpovídá napětí −12 V a logické hodnotě 0 pak +12 V.
Základní tři vodiče rozhraní (příjem RxD, vysílání TxD a společná zem GND) jsou doplněny
ještě dalšími vodiči sloužícími k řízení přenosu (vstupy DCD, DSR, CTS, RI, výstupy DTR,
RTS). Ty mohou a nemusí být používány (zapojeny). Výstupní elektronika je vybavena
ochranou proti zkratu, kdy po překročení proudu 20 mA proud již dále neroste.
RS232 DB9 pinout
Přenos znaku „K“ (ASCII kód 4Bh) bez parity, jeden Stop bit.
Maximální přenosová rychlost po sběrnici je 115200 bd. Přenosová rychlost je vždy nižší,
protože ke každým osmi datovým bitům se navíc přenáší ještě startbit, jeden nebo dva stopbity
a případně také paritní bit.
Standard nedefinuje maximální délku kabelu, při použití kabelu s nízkou kapacitou může být
maximální rychlosti dosaženo na vzdálenost cca 300m. Ostatní používané rychlosti jsou
57600bd, 38400bd a asi nejčastější 19200bd.
42
8.2. Sběrnice CAN (Controller Area Network)
Původním účelem sběrnice z roku 1983 pracující s protokolem sériové komunikace CAN je
nasazení v osobních automobilech, firma Bosch však v 90. letech rozšířila aplikační možnosti i
na jiná technická zařízení. Sběrnicový systém umožňuje efektivní decentralizované řízení v
reálném čase s vysokým stupněm spolehlivosti přenosu dat rychlostí až 1 Mb/s. Dnešní
specifikace CAN 2.0B rozšiřuje původně 11 bitové adresy koncových zařízení (standard format)
kompatibilním 29 bitovým adresovým formátem (extended format). Tyto dokumenty definují
pouze fyzickou a linkovou vrstvu protokolu podle referenčního modelu ISO/OSI.
Fyzická vrstva je podrobně definována normou ISO11898 a paralelním zapojením výstupních
tranzistorů s otevřeným kolektorem je realizována funkce logického součinu (wired or).
Nerozvětvená linka se sběrnicovým uspořádáním koncových zařízení je oboustranně
zakončena rezistory s odpory 120 Ω. Nejčastěji použité konektory jsou D-SUB-9.
Sběrnice je řešena jako symetrická, neuzemněná, s vodiči CAN_H a CAN_L.
Sběrnice CAN je „multi-master“, kterýkoliv z připojených modulů může data vysílat, zatímco
všechny ostatní moduly mohou komunikovat navzájem jako v síti peer-to-peer (rovný s rovným).
Když je CAN sběrnice v klidu, na obou vodičích je 2.5V. Při přenosu dat se zvýší úroveň vodiče
CAN_H na 3.75V a klesne úroveň vodiče CAN_L na 1.25V. Tím vznikne rozdíl napětí 2.5V mezi
oběma vodiči. Protože přenos dat je určen rozdílem napětí mezi dvěma vodiči, CAN sběrnice je
odolná proti indukčním špičkám napětí, proti elektrickému poli a jinému rušení. Většina aplikací
nevyžaduje speciální kroucené a/nebo stíněné kabely.
Norma neomezuje počet připojených modulů na sběrnici, ale vzhledem k reálným parametrům
linky se doporučuje maximálně 30 modulů, jako limit je uváděn 110 modulů.
Maximální přenosová rychlost na sběrnici je při délce do 40 m rovna 125 kb/s až 1 Mb/s, při
zvyšující se délce se značně snižuje až na 10 kb/s na 1km.
43
Galvanické oddělení
Potíže plynoucí z propojování zemí u rozsáhlých zařízení se nejlépe odstraní galvanickým
oddělením jednotlivých sekcí. Signálová vazba je zprostředkována nejčastěji optickým zářením
(optron), magnetickým polem (impulsní oddělovací transformátor), méně často
elektromechanicky (relé).
Optoelektronický vazební člen (optočlen, optron) obsahuje diodu LED a fototranzistor, případně
fotodiodu. Přenos mezi nimi probíhá pomocí optického signálu. Jednoduše se realizuje přenos
impulsových signálů, avšak analogové signály se touto cestou přenášejí obtížně v důsledku
značné nelinearity členů.
Příkladem mohou být optrony PC816, PC817, 4N26.
Příklad invertujícího oddělovacího obvodu pro
impulsní signály ukazuje obrázek. Při střídě 1:1
obvody pracují podle použitého optronu do 100 až
200 kHz.
8.3. Bezdrátová komunikace
Bezdrátová komunikace je prakticky jediným způsobem spojení s mobilními prostředky
automatizace, ale nabývá významu i v případech, kdy propojení kabely je neestetické, málo
komfortní nebo finančně nákladné. Jako přenosové médium se používá infračervené světlo
nebo radiové vlny.
IrDA je komunikační infračervený port vytvořený konsorciem IrDa (Infrared Data Association),
které popisuje bezdrátovou komunikaci pomocí infračerveného světla. IrDA definuje standardy
koncových zařízení a protokolů, pomocí kterých zařizuje komunikaci. IrDA byl vytvořen pro
komunikaci s přenosnými (mobilními) zařízeními bez nutnosti použití komunikačního kabelu.
IrDA vysílá a přijímá modulované infračervené světlo o vlnové délce
875 nm. Vysílačem jsou infračervené LED diody. Přijímačem jsou
fotodiody. V současnosti je IrDA vytlačováno radiovým přenosem,
který eliminuje základní nevýhodu infračerveného přenosu – potřebu
přímé viditelnosti.
IrDA pracuje do vzdálenosti 1.0 m, rychlosti jsou 2400 – 115 200 b/s. Novější verze IrDA 1.1
dosahuje přenosové rychlosti až 4Mbit/s.
USB adaptér pro komunikaci s využitím infrared rozhraní.
dosah 1m, rychlost až 12Mbit/s
rozměry 50x28x19mm
44
Bluetooth byl původně určen pro komunikaci mezi zařízeními a jejich periferiemi v
domácnostech. Postupem času došlo k jeho rozšíření i do oblasti průmyslu. V posledních letech
se stává standardem v mobilních zařízeních jako jsou mobilní telefony a jejich příslušenství,
kde nahrazuje komunikaci pomocí IrDa (Infrared Data Asociation) a kabelů. Další uplatnění
nachází i v automobilovém průmyslu.
Bluetooth byl navržen jako bezdrátový komunikační standard, který využívá komunikační
frekvenční pásma 900 MHz, 2.4 GHz a 5.8 GHz, která jsou volně k použití za předpokladu
dodržení závazných podmínek pro vyzářený výkon a technické řešení vysílače a přijímače (tzv.
nelicencované pásmo) a není třeba žádat o přidělení frekvenčního pásma ani platit jakékoliv
poplatky.
CB-OEMSPA333i-04 firmy Connect Blue
Seriál Port Adapter RS-232,
napájecí napětí 3.3-6Vdc,
vf výkon100mW @2.4GHz
přenosová rychlost 115,2 kbit/s
rozměry 36x23x3 mm
cena cca 1000Kč
ZigBee je bezdrátová komunikační technologie s poměrně novým standardem platným od
listopadu 2004. Podobně jako Bluetooth je určena pro spojení nízkovýkonových zařízení na
malé vzdálenosti do 75 metrů. Pracuje v bezlicenčních pásmech 868 MHz, 902–928 MHz a
2.4 GHz. Přenosová rychlost činí 20, 40, 250 kbit/s.
ZigBee je navržen jako jednoduchá a flexibilní technologie pro tvorbu i rozsáhlejších
bezdrátových sítí, u nichž není požadován přenos velkého objemu dat. K jejím hlavním
přednostem patří spolehlivost, jednoduchá a nenáročná implementace, velmi nízká spotřeba
energie a v neposlední řadě též příznivá cena.
Modul ZigBee s mikrořadičem
Microchip MRF24J40MA
rozhraní SPI, kmitočet 2.4GHz
přenosová rychlost 250kbit/s
napájecí napětí 3.3V
rozměry 28x18x2 mm
cena 280Kč
45
8.4. Mobilní komunikace a Internet
Pro komunikaci s PLC jsou využívány i sítě mobilních operátorů a INTERNET. Běžná je
možnost předávat informace o stavu řízené soustavy formou SMS a naopak přenášet do PLC
povely. Běžné je i připojení k Internetu a komunikace prostřednictvím vlastní internetové
stránky. Stránky PLC je možné prohlížet běžným prohlížečem z libovolného počítače na síti
Internet.
Programovatelný automat firmy LEVEL,
umožňující ovládání domácích spotřebičů
(topení, osvětlení, servomotoru vrat garáže),
snímající signály čidel alarmu (dveře v budově,
rozbití oken, zvýšené teploty), a komunikující
pomocí SMS s majitelem prostřednictvím
zabudovaného mobilního telefonu. Automat
umí zpracovat i signály GPS a při montáži do
osobního automobilu může posílat okamžité
souřadnice při jeho odcizení.
Spolu s miniaturizací všeho technického zařízení nabízí většina výrobců polovodičových
mikroprocesorů a mikrořadičů řadiče Ethernet na čipu spolu s výkonnými 32-bitovými
procesory.
Ukázka mikrořadičů Microchip s rozhraním Ethernet 10/100/1000 Mbps.
9. Projekt s využitím PLC
Projekt s PLC má obsahovat následující etapy:
a) Zadání, s podrobným a jednoznačným stanovením cíle. Součástí zadání má být termín na
řešení a cena projektu.
b) Diskuse možných řešení. Výhody a nevýhody různých řešení. Rozhodnutí pro některé
řešení a jeho zdůvodnění.
c) Návrh hardware, výběr jednotlivých dílů, schéma propojení
d) Návrh software, sestavení vývojového diagramu, napsání programu
e) Odladění programu na úplném hardware
f) Dokumentace celého řešení, která má obsahovat:
- rozpisku všech dílů včetně typového označení výrobce
- schéma propojení všech dílů
- zdrojový soubor programu včetně důležitých komentářů
- návod na obsluhu výsledného produktu
Projekt s využitím PLC bude procvičen v praktické části předmětu a podrobný popis jednotlivých
etap projektu je popsán v učebním textu Mikropočítačové řízení – cvičení.
46