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 1m. 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
