Strana 5
Anotace: Bakalářská práce „Větrání automatickým otevíráním okna“ se zabývá volbou řídící jednotky a návrhem algoritmů pro automatické otevírání okna v závislosti na vnější a vnitřní teplotě. Navrhnuté řešení by mělo mít nízké náklady. Hlavní část větracího systému,je realizovaná úpravou staršího zařízení Komextherm. Navržené zařízení jsem odzkoušel a zhodnotil dosažené výsledky.
Anotation: The bachelor study „Ventilation by automaticly opened windows“ deal with an option of controling unit and with suggestion of algorithm for automatic oppening the window in the dependence of outside and inside temperature. The suggestive method of solution should have low cost. The main part of the airing system is realizeted by updating older equipment Komextherm. I tested the suggestive equipment and I valorizeted reachable results.
Strana 6
Děkuji touto cestou vedoucímu bakalářské práce Ing. Zdeňku Němcovi, CSc. a Ing. Miroslavu Holému za rady a připomínky poskytnuté při zpracování bakalářské práce.
Prohlášení: Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma „Větrání automatickým otevíráním okna“ vypracoval samostatně. V Ladné dne 24.5.2006
Strana 7
Obsah: 1 2
Úvod ............................................................................................................................... 9 Volba řídicí jednotky a vhodnost použití větracího systému.................................. 11 2.1 Řídicí jednotka realizovaná pomocí operačního zesilovače................................... 11 2.2 Řídící jednotka realizovaná pomocí mikrokontroleru ............................................ 11 2.3 Řídící jednotka realizovaná pomocí logického modulu LOGO!............................ 11 2.4 Vhodnost použití větracího zařízení ....................................................................... 11 3 Seznámení s LOGEM! ............................................................................................... 13 3.1 Co je LOGO! .......................................................................................................... 13 3.2 Vlastnosti modulu LOGO! ..................................................................................... 13 3.3 Technické údaje log. modulu LOGO! .................................................................... 15 4 Programování logického modulu LOGO!................................................................. 17 4.1 Programování pomocí samotného modulu LOGO!................................................. 17 4.2 Tvorba programu pomocí softwaru LOGO!Soft Comfort ..................................... 18 5 Popis jednotlivých variant programu ....................................................................... 21 5.1 Seznámení s funkčními bloky ................................................................................ 21 5.2 Finální varianta programu ...................................................................................... 27 5.3 Varianta s přepínači ................................................................................................ 32 5.4 Varianta s koncovými vypínači .............................................................................. 34 6 Návrh a realizace elektronických obvodů ................................................................ 35 6.1 Převodník odpor/napětí (R/U) ................................................................................ 35 6.2 Napájecí zdroj......................................................................................................... 38 7.2 Po úpravě ................................................................................................................ 41 7 Závěr a poznatky z provozu větracího systému....................................................... 43 Seznam použité literatury:................................................................................................ 44
Strana 8
Strana 9
1
Úvod
V této práci se budu zabývat systémem automatického větrání místnosti pomocí otvírání/zavírání okna při splnění určitých podmínek. Konkrétně, pokud je teplota vně okna vyšší než v místnosti, zařídí automatický mechanismus otevření příslušného okna. Proč jsem si vybral tuto tématiku? Mám k tomu několik důvodů: 1) jedná se o trend v moderním bydlení, kdy jsou do domů implementovány automatické systémy, které zajišťují nejenom komfort, ale i úspory v energiích. 2) Problematika automatizovaných systémů je mi blízká, neboť je to můj koníček současně s elektronikou a informatikou. Jak vlastně tento systém funguje? Jak jsem již řekl, pracuje na jednoduchém principu srovnávání venkovní a vnitřní teploty. Pokud je venku vyšší teplota, systém automaticky zajistí otevření oken. Tím začne do místnosti proudit teplejší vzduch z venku a vzduch v místnosti se ohřeje. Tento systém je poměrně jednoduchý, protože jeho parametrem je pouze teplota. Dalším prvkem, o který by bylo vhodné systém rozšířit je kontrola vlhkosti vzduchu. Tato kombinace už je ovšem nad rámec této práce a proto se jí nebudu zabývat. Postupně zde objasním princip elektronického řízení ovládacího prvku, kterým je v tomto případě upravené původní zařízení Komextherm, ze kterého jsem použil pouze servopohon, transformátor a obal. Dále se budu zabývat výběrem vhodné řídící jednotky, problematikou sestavování programů, které zde uvedu v několika variantách. V neposlední řadě zde popíšu postup návrhu a výroby odpovídajících plošných spojů včetně osazení jednotlivými prvky. Na závěr ještě provedu krátké srovnání původního systému Komextherm se systémem dle mé úpravy.
Strana 10
Strana 11
2
Volba řídicí jednotky a vhodnost použití větracího systému
Při volbě řídící jednotky jsem uvažoval nad třemi variantami. Patří sem řízení pomocí operačního zesilovače, pomocí mikrokontroleru a nejzajímavější je pomocí logického modulu LOGO!. Postupně si popíšeme jednotlivé varianty, spolu s jejich výhodami a nevýhodami. Na základě toho provedeme výběr řídicí jednotky. 2.1
Řídicí jednotka realizovaná pomocí operačního zesilovače
Realizace pomocí tohoto operačního zesilovače jsem rychle zamítl, protože přináší málo výhod. Toto řešení by se vyznačovalo malou pořizovací cenou. Nízká pořizovací cena je nespíš jediná výhoda, kterou tato varianta přináší. Toto řešení nám neumožňuje realizaci složitější logiky, kterou větrací systém vyžaduje. Jedním z dalších nedostatků je, že při malá změna v řízení znamená v lepším případě výměna některých součástek, nebo v horším případě výrobu nového plošného spoje s novým zapojením. Zapojení s operačním zesilovačem je méně uživatelsky přívětivé. Zobrazovací jednotka může být realizovaná pomocí ručičkového voltmetru, což nenabízí příliš mnoho zobrazovaných informací a k tomu působí na dnešní dobu dosti zastarale. Zobrazovací jednotka může být realizovaná i v digitální podobě, což zase přináší složitou realizaci. 2.2
Řídící jednotka realizovaná pomocí mikrokontroleru
Nad touto variantou jsem dlouho přemýšlel ale nakonec jsem i tuto variantu opustil. Tuto variantu jsem opustil z důvodu složité realizace, vyžadující zkušenosti s mikrokontrolery. Dalším nedostatkem je absence výkonových prvku a nutná realizace zobrazovací jednotky. Jejich velkou výhodou oproti operačním zesilovačům je to, že vykonávaná funkce je dána programem, tím můžeme jednoduše měnit chování mikrokontroleru. Toto řešení přináší pořád dobrou pořizovací cenu. Pokud bych se rozhodl pro tuto variantu, pak bych volil mikrokontrolér řady PIC od výrobce Microchip a to především kvůli jejich příznivé ceně. Varianta s mikrokontrolerem přináší vyrovnané množství výhod a nevýhod, proto jsem se zkusil poohlédnout po jiném řešení. 2.3
Řídící jednotka realizovaná pomocí logického modulu LOGO!
Poslední variantou pro řídící jednotku bylo použití logického modulu LOGO!. Jedná se výrobek společnosti Siemens. Po delší úvaze jsem se rozhodl pro tuto variantu a to hlavně kvůli jednoduchosti a velkému počtu výhod. Mezi výhody patří : flexibilita, snadná programovatelnost, obsah výkonových spínacích prvků, uživatelsky přívětivé (obsahuje displej), vyšší odolnost proti nepříznivý vlivům. Tak jako každá věc má své výhody a nevýhody, zde je nevýhoda vyšší pořizovací cena. U této varianty převládá větší počet výhod a proto jsem volil řídicí jednotku pomocí modulu LOGO!. Podrobnějšímu popisu modulu a jeho technických parametrů se bude věnovat následující kapitola. 2.4
Vhodnost použití větracího zařízení
Jelikož se má jednat o větrací systém, který je založen na měření dvou teplot, není příliš vhodný pro větrání vlhkých objektů. Pro větrání vlhkých objektů, by bylo zapotřebí
Strana 12
měření kromě teploty i vlhkost, která se měří pomocí vlhkoměrů. Elektrické vlhkoměry mají vysokou pořizovací cenu a k tomu menší životnost než elektrické teploměry. Pro představu uvádím vlhkoměr od společnosti Siemens, který je zobrazený na Obr. 1. Prodejní označení tohoto vlhkoměru je QFA 2040. Zmiňovaný vlhkoměr obsahuje převodník, který převede vlhkost na napětí v rozmezí 0 - 10 V. Tento převodník přidává na ceně vlhkoměrů. Uváděný vlhkoměr je vhodný do vnitřních prostorů.
Obr. 1 Čidlo vlhkosti se zabudovaným převodníkem od společnosti Siemens. Větrací systém měří dvě teploty a to jednu venku a druhou uvnitř větraného objektu, pokud bude teplota venku větší, než uvnitř nastane otevření okna. Tento větrací systém je tedy vhodný pro staré ale i nové domy, kde pomáhá ohřát vnitřní prostory budovy pomocí teplejšího venkovního vzduchu.
Strana 13
3
Seznámení s LOGEM!
3.1
Co je LOGO!
LOGO! představuje univerzální logický modul, který je vyráběn společností Siemens. Můžeme ho označit jako inteligentní relé. Největší výhody těchto neúplných programovatelných automatů jsou: flexibilita, snadná programovatelnost a rozšiřitelnost. Díky těmto nejdůležitějším vlastnostem, můžeme snadno změnit funkci, kterou bude LOGO! vykonávat. Můžeme taktéž snadno změnit parametry v programu (časové funkce,...). Pokud nastane situace, že počet vstupů a výstupů nebude postačovat, lze vstupy a výstupy rozšířit pomocí tzv. rozšiřovacích I/O modulů. Podrobnému popisu jednotlivých vstupů a výstupů se budeme věnovat v další podkapitole. Pro spolupráci mezi jednotlivými moduly a jiným systémem na signálové úrovni se používají rozšiřovací komunikační moduly. Pomocí logického modulu LOGO! můžeme realizovat jednoduchý až středně složitý řídící systém. Řízení pomocí modulu LOGO! je vhodné použít v domácnostech (např. pro řízení osvětlení schodů, venkovního osvětlení nebo pro řízení žaluzií..), nebo v průmyslu ve výrobních odděleních (např. řízení motorů, klimatizace, dopravníků...). Nyní shrnu výhody, které nám přináší LOGO! při jeho využití: • • • •
3.2
nahrazení pomocných spínacích zařízení integrovanými funkcemi LOGO! úsporu kabeláže a instalační práci. snižuje prostorové nároky komponent v ovládací/rozvodné skříňce. přidání nebo změna funkcí bez nutnosti instalace dalších spínacích zařízení nebo změny kabeláže.
Vlastnosti modulu LOGO!
Co se týče samotného vzhledu modulu LOGO!, vyrábí se ve dvou variantách.Varianty nesou označení "Pure" a "Basic". Po stránce technických parametrů a počtem vstupů, výstupů jsou tyto varianty totožné. Dále obě varianty obsahují komunikační konektor, zajišťující komunikaci mezi PC a modulem a rozšiřující konektor, sloužící pro rozšíření vstupů a výstupů. Jejich rozdíl, jak už jsem zmiňoval, je ve vzhledu. Jednoduší z těchto variant se jmenuje „Pure“ a obsahuje kromě zmiňovaných vstupů, výstupů a komunikačních konektorů pouze jednu dvojbarevnou diodu, která signalizuje jestli modul vykonává program či nikoliv, tzv. RUN/STOP mód. Tato varianta neumožňuje vytvářet ani editovat program přímo na modulu, nebo zobrazovat vnitřní stavy vybraných bloků. Na druhou stranu, je tato varianta velmi vítaná v situacích, kdy u vytvořeného programu se nemění parametry programu, nebo uložíme modul např. do rozvodné skříni, ve které bude po většinu času schovaný. Pro toto využití je tato varianta ideální a další uživatelské vymoženosti by byly zbytečné. Pro variantu „Pure“ hovoří taktéž cena, která je menší než u varianty "Basic". Na následující straně jsou dva obrázky, kde Obr.2 zobrazuje variantu „Pure“ a Obr. 3 variantu „Basic“.
Strana 14
Obr. 2 LOGO! ve verzi „Pure“.
Obr. 3 LOGO! ve verzi „Basic“.
Jak je patrné z obrázků, tak u varianty "Basic" byla dioda nahrazena displejem. Rozlišení tohoto displeje není příliš vysoké. Displej umožňuje zobrazit pouze čtyři řádky a na jeden řádek se vejde deset znaků.Dalším doplňkem varianty „Basic“ jsou ovládací tlačítka, která jsou tvořena čtyřmi směrovými tlačítky, jedním potvrzovacím a stornovacím tlačítkem. Pomocí těchto ovládacích prvků můžeme jednoduše měnit parametry programu nebo provádět změny v programu. Displej v režimu RUN (provádí se program) umožňuje zobrazovat stavy vstupů, výstupů, okamžitý čas nebo programátorem (uživatelem) definovaný text. To jsou hlavní rozdíly, které od sebe odlišují variantu „Basic“ a „Pure“. Logické moduly LOGO! jsou k dostání v několika revizích. V dnešní době jsou na trhu revize 0BA3, 0BA4, 0BA5, kde poslední číslice znamená rok vydání na trh. Každá následující revize přináší nové funkce. Zajímavostí je, že nejstarší revize 0BA3, je prodávána za vyšší cenu než nejnovější revize 0BA5. Pro svoji práci jsem dostal k zapůjčení LOGO! ve verzi 0BA3. Pokud se pozorně podíváme na obě varianty zjistíme, že se odlišují v jednom důležitém parametru a to v napájecím napětím. Jak je patrné z obrázků, tak varianta „Pure“ je napájena střídavým ale i stejnosměrným napětím v rozsahu od 115 do 240 voltů a varianta "Basic" je napájena stejnosměrným napětím 12 nebo 24 voltů. Tato rozdílná napájecí napětí nejsou dána tím, že by se každá varianta vyráběla pro jiné napětí ale tím, že se LOGO! vyrábí ve čtyřech napěťových variantách. Tyto napěťové varianty jsou stejné, jak pro variantu „Pure“, tak i pro variantu „Basic“. Svorky I1 až I8 představují vstupy a svorky Q1 až Q4 jsou výstupy. Jak už zaznělo, tak LOGO! se vyrábí v několika napěťových variantách, jejichž výpis je následující: •
LOGO! 230R(o) napájení 120/230 V AC/DC. obsahuje 8 digitálních vstupů pro napětí 120/230V AC/DC. výstup je řešen pomocí čtyřmi reléovými obvody, max. proud je 10 A.
Strana 15
•
LOGO! 24RC(o) napájení 24 V AC/DC. obsahuje 8 digitálních vstupů realizovaných pomocí bipolárních tranzistorů PNP nebo NPN, které jsou určené pro napětí 24 V AC/DC. 4 digitální výstupy (4 relé pro maximální prou 10 A).
•
LOGO! 24(o) napájecí napětí je stejnosměrné a činí 24 V. nabízí 8 digitálních vstupů pro stejnosměrné napětí 24 V a z toho 2 analogové vstupy pro stejnosměrné napětí v rozmezích 0 - 10 V. 4 výstupy, které jsou realizovány pomocí tranzistoru s maximálním proudem 0,3 A.
•
LOGO! 12/24RC(o) stejnosměrné napájení v hodnotách 12 nebo 24 V. jako předchozí varianta obsahuje 8 digitálních vstupů pro stejnosměrné napětí 24 V a 2 analogové vstupy pro napětí v rozmezích 0 - 10 V. výstup zajišťují 4 relé s maximálním procházejícím proudem 10 A.
Značení obou variant se provádí téměř shodně a liší se tím, že u varianty „Pure“ se přidává malé písmeno „o“, které označuje jednoduší verzi modulu. 3.3
Technické údaje log. modulu LOGO!
Jak už plyne z názvu této kapitoly, budu se zde věnovat technickým parametrům modulu LOGO!. Existují 4 napěťové varianty a každá má jiné technické parametry. Protože využívám LOGO! ve variantě 12/24RC zaměřím se na variantu 12/24RC. Zmíním zde jen ty nejdůležitější parametry, jsou to tyto: • Klimatické podmínky: teplota okolí 0...55 °C skladovací podmínky -40 °C...+70 °C relativní vlhkost od 10 do 95 % nekondenzující •
Mechanické podmínky okolí: způsob ochrany IP20 vibrace 5..9 Hz (konstantní amplituda 3,5 mm), 9...150 Hz (konstantní zrychlení 1 g) nárazy 18 nárazů (sinová půlvlna 15g/11 ms) pád z výšky 50 mm
•
Elektromagnetická kompatibilita: šumové emise - třída omezení B skupina 1 elektrostatický náboj - 8 kV vzdušný výboj a 6 kV kontaktní výboj elektromagnetické pole - intenzita pole 10 V/m vysokofrekvenční pulzy 2 kV (napájecí a signálové vedení)
Strana 16
•
Napájení: vstupní napětí 12/24 V DC povolený rozsah 10,8...28,8 V DC ztráty - 0,3...1,7 W pro 12 V a 0,4...1,8 W pro 24 V DC
•
Digitální vstupy: 8 vstupů vstupní napětí pro signál 0 je < 5 V DC a pro signál 1 je > 8 V DC vstupní proud pří signálu 0 je <1 mA a při signálu 1 je >1,5 mA délka nestíněného vedení je 100 m
•
Analogové vstupy: 2 vstupy rozsah 0...10 V DC, maximální vstupní napětí je 28,8 V DC vstupní impedance je 76 kW délka vedení (stíněné a kroucené) činí 10 m
•
Digitální výstupy: 4 výstupy typ výstupu - reléové výstupy stejnosměrný proud - max. 10 A na relé elektrické oddělení chráněné proti zkratu ochrana výstupního relé (pokud je žádána) max. 16 A zatížení žárovkou (25000 spínacích cyklů) do 1000 W
•
Spínací frekvence: mechanická - 10 Hz ohmická/světelná zátěž - 2 Hz induktivní zátěž - 0,5 Hz
To je vše, co bych chtěl napsat o nejdůležitějších technických parametrech a přejdu na další kapitolu, ve které se budu věnovat samotnému programování log. modulu LOGO!.
Strana 17
4
Programování logického modulu LOGO!
Nyní si popíšeme možnosti, kterými lze vytvořit řídící program pro LOGO!. Program, jak už bylo řečeno, lze vytvářet přímo v logickém modulu nebo na počítači s pomocí softwaru LOGO!Soft Comfort. Programování u obou variant probíhá v propojování tzv. bloků. Podrobnému popisu bloků se budu věnovat v následující kapitole. Při tvorbě programu jsem využíval softwaru LOGO!Soft Comfort a proto se budu věnovat hlavně popisu této varianty programování. 4.1 Programování pomocí samotného modulu LOGO! Důležitou podmínkou pro programování pomocí samotného modulu, je nutnost mít LOGO! ve variantě „Basic“, která obsahuje displej a ovládací tlačítka. Jednotlivé bloky se postupně vkládají a vzájemně propojují od výstupů ke vstupům. Displej modulu umožňuje zobrazovat pouze jeden blok, tak jak znázorňuje Obr.4. Každý blok má své označení, které je umístěno v pravém horním rohu displeje (B31), na pravé straně bloku jsou umístěny výstupy (výstup bloku B31 je vstupem bloku B36) a na levé straně jsou vstupy (výstup bloku B45 je vstupem bloku B31). Jak je tedy patrné, tak orientace a propojování bloků je realizováno pomocí číselného značení. Kromě vstupů a výstupů obsahují některé speciální bloky měnitelné parametry. U zobrazovaného bloku je to čas, za který se má provést požadovaná akce (T).
Obr. 4 Zapnuté LOGO! v programovacím režimu. Programování je jednoduché a intuitivní, spočívající na postupném připojování potřebných bloků a nastavování jejich parametrů (pokud je obsahují). Velkým úskalím této varianty programování je možnost zobrazení jen jednoho bloku, což u složitějších programů způsobuje ztrátu orientace v programu. Pohyb mezi bloky je realizován pomocí tlačítek ve tvaru šipek a pohyb mezi bloky začíná vždy na výstupu. Tato varianta programování je tedy vhodná jen pro méně rozsáhlé programy. A právě z tohoto hlediska jsem zvolil tvorbu programu pomocí už výše zmiňovaného softwaru LOGO!Soft Comfort.
Strana 18
4.2
Tvorba programu pomocí softwaru LOGO!Soft Comfort
Při tvorbě programu jsem měl možnost vyzkoušet dvě varianty tohoto programu a to starší V3.1 a novější V4.0. Po stránce grafické se tyto varianty odlišují jenom v malých detailech. Rozdíl je v počtu podporovaných bloků, kde u verze V3.1 využijete veškerý potenciál do varianty modulu 0BA3, u verze V4.0 do nejnovější varianty 0BA5. Jelikož jsem pracoval s log. modulem LOGO! ve variantě 0BA3 využíval jsem obě varianty programu. Všechny programy, které postupně popíšu byli vytvořené ve verzi V4.0 a proto budu popisovat tvorbu programu pomocí novější verze V4.0. Při vytváření nového programu máme na výběr ze dvou variant zadávání a to pomocí funkčních bloků (FBD) nebo pomocí žebříkového grafu (LAD).
Obr. 5 První okno programu. Z mého pohledu je zadávání pomocí funkčních bloků více intuitivní a proto jsem si zvolil pro tvorbu programů tuto variantu. Výběr metody zadávání zobrazuje Obr.5. Pokud už máme program uložený, můžeme pro jeho načtení zvolit rychlou volbu. Po zvolení druhu zadávání se otevře hlavní okno programu, které je znázorněno na Obr.7. Ze stromu funkcí lze jednoduše přetáhnutím požadovaného bloku tento blok umístit na pracovní plochu a zde jeho výstup pomocí nástroje propojení připojit k libovolnému vstupu dalšího bloku. Vše je zobrazeno na Obr.6. Analogicky na jeho vstup lze připojit libovolný výstup jiného bloku, platí ale podmínka, že tyto vstupy a výstupy musí být kompatibilní, jinak program zahlásí chybu a operaci neprovede.
Obr.6 Propojování bloků pomocí softwaru LOGO!Soft Comfort.
Strana 19
Obr.7 Hlavní okno programu. Tvorba programu na počítači je pohodlná, jednoduchá a přehledná, protože umožňuje najednou zobrazit všechny bloky programu. Parametry speciálních bloků se jednoduše nastavují, stačí levým tlačítkem myši dvakrát poklepat na příslušný blok a otevře se nám okno s parametry. Velkou předností programu LOGO!Soft Comfort je, že obsahuje simulační nástroj, pomocí něhož jsem testoval chování programu. Pomocí tohoto simulačního nástroje jednoduše najdeme chyby vzniklé při programování, otestujeme chování programu pro různé parametry funkčních bloků a neposledně provedeme finální odladění. Takto otestovaný program jednoduše nahrajeme do automatu a máme jistotu, že bude pracovat spolehlivě. Malou ukázku simulace programu, je na Obr.7, který je zobrazen na následující straně.
Strana 20
Obr. 7 Spuštěná simulace programu.. V simulačním režimu jsou propojovací cesty a bloky ve dvou barvách. Pokud je blok červený, znamená to, že je na jeho výstupu logická 1 a modrá barva značí log. 0. Na spodní straně obrázku je pracovní lišta simulačního nástroje. Na levém konci se nachází dva analogové vstupy (AI1, AI2), tři binární vstupy (I1, I2, I4), kde sepnutý stav značí log.1. Potom následují výstupy, dva skutečné (Q1, Q2) a pět pomocných (M1 - M5), které jsou značeny jako žárovky a kde svíticí žárovka znamená, že je výstup sepnut. Dále jsou zde tlačítka pro restart, spuštění, stopnutí simulace. Můžeme si také nastavit dobu simulace.To je tak ve zkratce o programování logického modulu LOGO!.
Strana 21
5
Popis jednotlivých variant programu
Ještě než začnu s popisem jednotlivých variant programu, které jsem vytvořil pro řízení větrání okna, provedu popis funkčních bloků. Největší počet funkčních bloků je v kategorii speciálních funkcí a z tohoto důvodu popíšu jenom ty, které jsem využil při tvorbě programů. 5.1
Seznámení s funkčními bloky Funkční bloky se rozdělují do tří základních kategorií: • konstanty a propojky (Co) • základní funkce (GF) • speciální funkce (SF)
1. Konstanty a propojky: Do této kategorie spadají vstupy, výstupy, konstanty a paměťové bity. Vstupy jsou digitální (I) nebo analogové (AI). Výstupy se značí písmenem Q a jsou čtyři. Mezi konstanty patří trvalá log. 1 (hi) a trvalá log. 0 (lo). Posledním blokem v této kategorii je paměťový bit (M). Jedná se o virtuální výstup, jehož hodnota na výstupu je stejná jako na vstupu. Tento blok lze využít např. při realizaci zpětné vazby. Bloky zobrazené v LOGO!Soft Comfort jsou zobrazeny na Obr. 9.
Obr. 9 Konstanty a propojky. 2. Základní funkce: Základní funkce představují jednoduché funkce Booleovy logiky. Do této skupiny patří následující bloky: logický součin AND (&), negace log. součinu NAND (&●) logický součet OR (≥1), negace log. součtu NOR (≥●), negace NOT (1●), exkluzivní OR (=1), log. součin s detekcí náběžné hrany (&↑) a NAND s detekcí sestupné hrany (&↓●). Všechny tyto bloky zobrazuje Obr. 10.
Obr. 10 Základní funkce. 3. Speciální funkce: Speciální funkce se od základních funkcí odlišují tím, že obsahují nastavitelné parametry, které ovlivňují funkci speciálních obvodů. Mezi speciální funkce patří časové funkce ( např. zpožděné vypnutí, zpožděné vypnutí, impulsní relé...), funkce pro zpracování analogového signálu (Analogový spínač, Analogový komparátor), textové zprávy. Jak je patrné z Obr.11, tak speciálních funkcí je velké množství a je tedy zbytečné popisovat všechny. Zaměřím se jenom na ty funkce, které jsem využíval ve svých programech.
Obr. 11 Speciální funkce.
Strana 22
1. Impulsní relé: Seznam a popis vstupu, výstupu a parametru je popsáno v Tab.1.
Tab. 1 Stručný popis vstupu, výstupu a parametru. Při nastavení vstupu Trg na log. 1 je stav výstupu přepnut na log 1. Ve stejném okamžiku je spuštěn čas Ta a výstup je stále zapnut. Po dosažení Ta zadané hodnoty T (Ta=T) je stav výstupu Q vynulován (pulsní výstup). Při přechodu vstupu Trg z log. 1 do log. 0 před zadaným časem následuje na výstupu ihned přechod z log.1 na log. 0. Časový průběh impulsního relé je zobrazen na obrázku Obr. 12.
Obr. 12 Časový diagram. 2. Týdenní spínací hodiny: Každé Týdenní spínací hodiny mají tři parametry No. Pro každý spínací bod No můžeme nakonfigurovat časový úsek, pro který se nastavují časy zapnutí a vypnutí. V okamžiku času zapnutí týdenní spínací hodiny zapnou výstup, pokud už není výstup zapnut.V okamžiku času vypnutí týdenní spínací hodiny vypnou výstup, pokud už není výstup vypnut. Časy zapnutí a vypnutí jsou v konfliktu, pokud jsou zadané časy shodné, ale pro různé No. V tomto případě má prioritu No3 před No2 a No2 má prioritu před No1. Seznam a stručný popis parametrů a výstupu je znázorněn v tabulce Tab. 2.
Tab. 2 Týdenní spínací hodiny.
Strana 23
3. Generátor hodinových impulsů: Parametr T udává délku času zapnutí a vypnutí. Pomocí vstupu En (Enable povolení) je možné přepínat generátor, tj. přepínat výstup mezi 1 a 0 pro časový interval T, dokud se stav nevrátí zpět na 0. Základní popis je v tabulce Tab. 3.
Tab. 3 Generátor hodinových impulsů. Na obrázku Obr. 13 je patrná závislost výstupu Q na vstupní hodnotě En. Pokud je tedy na vstupu En log. 1, tak výstup je v periodě T spínán a rozepínán.
Obr. 13 Časový průběh. 4. Dopředný a zpětný čítač: Podle nastavení je při každém impulsu na vstupu zvětšena nebo zmenšena vnitřní hodnota.Výstup je sepnut, pokud byla dosažena nastavená hodnota. Pro změnu směru čítání může být použit speciální vstup. Při každé náběžné hraně na vstupu Cnt je čítač zvýšen o jedničku (Dir=0) nebo snížen o jedničku (Dir=1). Je-li čítací hodnota stejná nebo větší než předem zadaná hodnota Lim v rámci Par, je výstup Q nastaven na log. 1. Vstup R slouží pro resetování výstupu a vnitřní hodnoty na "000000". Pokud je R=1, je výstup na 0 a pulsy na Cnt nejsou počítány. Popis jednotlivých vstupů, výstupu a parametrů je znázorněn v tabulce Tab. 4, která je na následující stránce.
Strana 24
Tab. 4 Dopředný a zpětný čítač. Jako vždy uvádím časový diagram zobrazený na obrázku Obr. 14, který je složitější a zajímavější než doposud znázorněné diagramy.
Obr. 14 Časový průběh .
5. Textová zpráva: Umožňuje zobrazovat textovou zprávu na displeji modulu. Maximální počet zobrazených znaků činí 50 znaků, který je omezen hrubým rozlišením displeje. Počet podporovaných znaků není vysoký ale pro zobrazení jednoduchých zpráv je dostačující.. Zpráva se zobrazí pokud přivedeme log. 1 na vstup En. Dokud bude na vstupu signál bude se zobrazovat nadefinovaná zpráva a současně bude sepnut výstup zprávy.
Strana 25
8. Analogové funkce: Konečně se dostávam k nejdůležitějším speciálním funkcím a to jsou analogové funkce. Na analogových funkcích je založené celé řízení větrání a jsou tedy nepostradatelné. Analogové funkce mohou pracovat s napětím v rozsahu 0 – 10 V nebo s proudem v rozsahu 0 – 20 mA a 4 – 20 mA. LOGO! v revizi OBA3 podporuje dvě analogové funkce a to Analogový spínač a Analogový komparátor. Pro svou práci jsem využil obě analogové funkce. Nejprve popíšu Analogový spínač. a) Analogový spínač: Analogový spínač umožňuje zpracovávat jednu analogovou veličinu (v našem případě je to napětí v rozsahu 0 - 10 V), kterou převádí na interní pracovní hodnotu, viz. popis v Tab. 5. Mělo by také zaznít, že napětí 0 V odpovídá teplotě 10°C a napětí 10 V odpovídá teplotě 30°C. Teplota je měřena platinovým odporovým teploměrem, přičemž samotné LOGO! neumožňuje pracovat s odporem, který je přímo úměrný teplotě. Pro převod odpor na napětí slouží převodník. Popisu převodníku bude věnovat samotnou kapitolu.
Tab. 5 Analogový spínač. Analogový spínač umožňuje zvlášť nastavovat prahovou hodnotu pro sepnutí a prahovou hodnotu pro rozepnutí. Pomocí tohoto nastavení vytvoříme jednoduše hysterezi, která je velmi důležitá. Kdyby prahová hodnota byla stejná, jak pro spínání, tak i pro rozepínání a současně by napětí neustále kolísalo (neustálé malé změny teploty) kolem prahové hodnoty, mělo by to za následek neustále spínání a rozepínání výstupu, což není žádoucí. Závislost sepnutí a rozepnutí na analogové veličině je znázorněna na Obr. 15.
Obr. 15 Průběh analogové veličiny.
Strana 26
b) Analogový komparátor: Analogový komparátor pracuje se stejnými analogovými veličinami jako analogový spínač. Komparátor obsahuje dva vstupy s označením Ax a Ay, na které přivádíme dvě různé analogové napětí. V našem případě se na vstup Ax přivádí napětí získané z teploměru umístěného venku a na vstup Ay přivádím napětí získané z vnitřního teploměru. Provádí se rozdíl Ax - Ay a pokud je rozdíl větší než nastavená prahová hodnota, dojde k sepnutí výstupu. LOGO! v revizi 0A3 neumožňuje nastavit hysterezi jako u Analogového spínače, přičemž revize 0BA5 toto nastavení umožňuje. Nezbývalo mi nic jiného, než si poradit a hysterezi vytvořit zapojení s kombinací dvou analogových komparátorů spolu s několika logickými funkcemi. Popis tohoto řešení popíšu v kapitole věnované výsledným programům. Seznam a stručný popis vstupů, výstupu a parametrů je zobrazen v Tab. 6.
Tab. 6 Analogový komparátor. Na Obr. 16 je zobrazen časový průběh dvou analogových signálů a jejich rozdíl, který udává, zda je výstup sepnut nebo rozepnut. Jak je dobře vidět, tak po překročení rozdílové hodnoty Ax - Ay >200 dojde k sepnutí výstupu a pro Ax - Ay <200 dojde k rozepnutí výstupu. Je tedy patrné, že analogový komparátor neumožňuje nastavit hysterezi.
Obr. 16 Průběh dvou analogových napětí a jejich rozdíl.
Strana 27
5.2
Finální varianta programu
Konečně se tedy dostávám k popisu konkrétních variant programu pro automatické větrání objektu. Začnu tedy s popisem finálního programu, tedy programu, který je použit v systému, zajišťující řízení automatického větrání. Samotný program je dosti rozsáhlý a proto jsem ho rozdělil na několik samostatných celků, tak jako ukazuje Obr. 17. Rozdělení je provedeno podle činnosti, kterou celek vykonává. Celkově program obsahuje 6 částí,
Obr. 17 Rozdělení finálního programu. které jsou pojmenované jako část A až část F. Základní rozdělení je tedy definováno a nezbývá nic jiného, než si funkci jednotlivých částí podrobně popsat. Popis budu provádět postupně podle abecedy a tak začnu u části A. 1. Část A Na Obr. 18 je znázorněn detail části A. Tato část se dá označit jako analogová, protože zpracovává analogové napětí (0 - 10 V). Jak už zaznělo toto napětí odpovídá teplotě 10 - 30°C, dále v textu budu pracovat s teplotou. Obsahuje dva vstupy (AI1, AI2), kde vstup AI1 odpovídá venkovní teplotě a vstup AI2 odpovídá vnitřní teplotě větraného objektu. Na tyto vstupy jsou připojeny tři analogové bloky a to jeden analogový spínač (B16) a dva analogové komparátory (B02, B03). Úkolem analogového spínače je sledovat venkovní teplotu a podle nastavených prahových hodnot provádět otevírání nebo zavírání okna. Přirozeně tento člen neprovádí samotné otevírání či zavírání okna, ale jeho binární výstup představuje jednu z podmínek pro vyhodnocení akce, která se provede. Když se podíváme na zmiňovaný obrázek, tak si všimneme, že teplota pro otevření okna je nastavena na hodnotu 14°C (on = 14) a pro zavření okna nastavena na 12°C (off = 12).
Strana 28
Tyto hodnoty lze v modulu LOGO! v parametrickém módu jednoduše měnit a to i za běhu programu. Tato vlastnost nám umožňuje nastavovat libovolné hodnoty spínání např. podle ročního období. U každého funkčního bloku můžeme nastavit, zda bude v parametrickém módu možné měnit jejich parametry. To je velmi žádoucí, protože nechci, aby mě uživatel měnil parametry u všech bloků. U tohoto programu jsem v podstatě povolil měnit parametry jenom u dvou funkčních bloků a to u analogového spínače a u týdenních spínacích hodin. Přejdu k popisu analogových komparátorů. Komparátory mají za úkol
Obr. 18 Detail části A programu.
Obr. 19 Detail části B programu.
provádět rozdíl měřených teplot a sledovat, zda teplota vně místnosti není větší než venku. Pokud by teplota u vnitř objektu byla větší než venku, nemá smysl provádět větrání objektu. Pro porovnání dvou teplot by mě postačil jeden komparátor, ale nemohl bych realizovat hysterezi a z tohoto důvodu jsou zde zapojeny dva komparátory. Popis tohoto zapojení je následující. Oba komparátory provádějí rozdíl Ax - Ay, kde Ax = vnitřní teplota a Ay = venkovní teplota. Spínací prahová hodnota komparátoru B03 je nastavena na -2 (Trigger = -2), to znamená, že pokud výsledná hodnota rozdílu bude větší než -2, pak dojde k sepnutí výstupu komparátoru. Komparátor B02 je nastaven na spínací hodnotu 0 (Trigger =0) a k sepnutí dojde pokud rozdíl bude větší než 0. Výstup bloku B41 (log. součin) bude sepnut, pokud bude na výstupu obou komparátorů log. 1. Pokud dojde k sepnutí bloku B41, tak dojde přirozeně k sepnutí bloku B05 (log. součet), který tvoří konečný výstup tohoto zapojení. Sepnutí tohoto obvodu představuje příkaz pro zavření okna. Výstup tohoto bloku je vstupem bloku B04 a představuje zpětnou vazbu. Mezi těmito bloky je vložen virtuální výstup M, protože nelze propojovat dva bloky, které se navzájem ovlivňují. Pravdivostní tabulka tohoto zapojení je na následující stránce v tabulce Tab. 7. Nyní popíšu program za pomocí konkrétních teplot, kdy teplota ve vnitř místnosti je konstantní a bude se měnit jenom venkovní teplota. Pokud tedy nastane situace, kdy obě měřené teploty budou stejné, např. budou mít hodnotu 18°C, dojde k sepnutí bloku B03, protože rozdíl se rovná 0, který je větší než hodnota -2 (Trigger = -2), přitom blok B02 bude rozepnutý. Jakmile dojde poklesu venkovní teploty nejméně o 1°C, dojde k sepnutí i
Strana 29
bloku B02 a současně dojde k sepnutí bloku B05. Pokud bude teplota venku pořád klesat, stav obou komparátorů se nebude měnit. Jakmile začne teplota venku postupně stoupat a dostane se opět na teplotu 18°C, dojde k rozepnutí bloku B02 a současně bloku B41, přičemž blok B05 je stále sepnutý. To je dáno díky zpětné vazbě a rozepnutí bloku B05 nastane tehdy, až dojde k rozepnutí bloku B03, které nastane pokud venkovním teplota vzroste alespoň na hodnotu 20°C. Po dalším růstu venkovní teploty se stavy obou komparátoru nemění. Aby došlo k opětovnému sepnutí bloku B05 musí být venkovní teplota minimálně o 1°C menší než vnitřní teplota. Tímto mám zajištěnou hysterezi s rozsahem 3°C. Tento rozsah by šel rozšířit na 4°C ale z dlouhodobého sledování systému jsem dospěl k názoru, že tato hodnota je postačující. B02 (In1) 0 0 0 0 1 1 1 1
B03 (In2) 0 0 1 1 0 0 1 1
B05 ( předchozí stav) 0 1 0 1 0 1 0 1
B05 (Out) 0 0 0 1 0 0 1 1
Tab. 7 Pravdivostní tabulka dvojice analogových komparátorů. 2. Část B Na Obr. 19 je znázorněn detail části B programu. Úkolem této části programu je sledovat výstupní hodnoty analogových bloků a vyhodnotit, zda pošle impuls pro otevření nebo zavření okna. Součástí této části programu je jedna speciální funkce a to týdenní spínací hodiny, které mají za úkol určovat denní pracovní dobu větracího systému. Dalším důležitým prvkem je vstup I1, který představuje pracovní režim systému. Pokud na tento vstup log. modulu je přivedeno napětí, bude systém v automatickém režimu, pokud nebude přivedeno napětí na vstup, bude v manuálním režimu. V manuálním režimu je stav okna závislý jenom na uživateli. Stav vstupu I1 a týdenní spínací hodiny určují stav bloku B15. Vstup I1 se ještě přivádí na blok B56 (negace), který v automatickém režimu zajišťuje, že nebude možné manuálně otevřít či zavřít okno. Výstup bude sepnut jen tehdy, pokud bude nastaven automatický režim provozu a týdenní provozní hodiny budou sepnuty. Výstup tohoto bloku je vstupem bloku B40 a B54, kde blok B40 provádí zavírání a blok B54 otevírání okna. Otevření okna závisí na stavu bloku B15, B16 a na B05. Negace B08 převádí hodnotu výstupu bloku B05. Zavření okna závisí opět na bloku B15 a na bloku B06, který sdružuje dvě podmínky a to z bloku B05 a z negace B32. Zavření okna se provede tehdy, když teplota venku bude menší než vevnitř větraného objektu nebo teplota venku bude menší než prahová spínací hodnota bloku B16. 3. Část C Opět je na Obr. 20 detail části programu a to tentokrát Části C. Tato část provádí spínání výstupu Q2, který provádí otevírání okna. V této části programu je celá řada speciálních funkcí a jejich účel postupně popíšu. Protože se jedná o část programu, která se stará o otvírání okna budu počítat s tím, že jsou splněny podmínky pro otevření okna. Blok B31 (Impulsní relé) určuje dobu po kterou bude výstup Q2 sepnut při otvírání okna.
Strana 30
Akční člen, který provádí samotné přestavování okna, je realizovaný pomocí servopohonu. Na jeho štítku je údaj udávající, že jeho celkové přestavení je 90° za 150 sekund. Z tohoto hlediska je impulsní relé nastaveno na čas 2:30 m. Na obou koncích dorazu servopohonu jsou koncové vypínače, které zajišťují vypnutí servopohonu. Pokud by bylo impulsní relé nastavené na delší dobu, tak by se nic nestalo. Po přivedení log. 1 na vstup impulsního relé dojde k sepnutí výstupu a současně se spustí odpočet nastaveného času a po dosažení nastaveného času dojde k rozepnutí výstupu. Výstupní hodnota bloku B31 je současně přiváděna na blok B36 (log. součet) a na blok B43 (generátor hodinových impulsů). Jakmile se na vstupu bloku B35 objeví log. 1, tak i na výstupu je log. 1. Je-li přivedena log.1 na vstup bloku B35 (Textová zpráva), nastane sepnutí výstupu tohoto bloku a dojde i k sepnutí výstupu Q2. Současně se na displeji objeví hláška „Prave se provadi otevirani okna“. Tato zpráva bude zobrazena na displeji do té doby, dokud bude sepnut výstup bloku B31. Otevření okna lze provést i ručně, pokud bude nastaven ruční provoz, který hlídá blok B55. Ruční otevření se provede přivedením napětím na vstup I2. Jakmile se na vstup bloku B43 přivedeme log. 1, začne obvod generovat impulsy. Blok B43 má nastavenou polovinu periody na 1 sekundu. Tyto generované impulsy se přivádí na blok B44 (dopředný/zpětný čítač), který čítá přechody z 0 na 1. Tento čítač je nastavený, tak, aby prováděl vzestupné sčítání a při každém pulzu je zvětšena jeho vnitřní hodnota. Jakmile vnitřní hodnota dosáhne nastavené prahové hodnoty, nastane sepnutí výstupu čítače. Na vstupu bloku B46 se objeví log. 1, která se zneguje na log. 0, která se přivádí na vstup virtuálního výstupu. Na jeho výstupu je opět log. 0, která způsobí, že se na výstupu bloku B45 objeví log. 0. Tato změna má za následek, že se výstup bloku B31 rozepne a dojde k přerušení otevírání okna. Je tedy důležité aby došlo k sepnutí výstupu čítače za 150 sekund(2:30 m). Jelikož je vnitřní hodnota zvýšena o jedničku každou druhou sekundu, je tato prahová hodnota nastavená na hodnotu 75.
Obr. 20 Detail části C programu. Z prvního pohledu by se zdálo, že tato část je naprosto zbytečná, protože veškerou činnost by obstaral samotný blok B31. Zdání ale klame, protože bez zapojeného čítače by nastávala zbytečná spínání. Například při přepnutí z automatického režimu do manuálního a zpět dojde k opětovnému sepnutí. Je to způsobeno tím, že vstup bloku B31 reaguje na přechod z 0 na 1. Tento přechod nastane, protože při přechodu do ručního režimu nebudou splněny podmínky pro větrání a na bloku B45 se objeví 0 a po opětovném přepnutí do aut. režimu se na tomto bloku objeví 1. Tím nastane přechod z 0 na 1 a dojde k sepnutí impulsního relé, současně s výstupem Q2. Díky tomu, že je v obvodě čítač je na výstupu B45 pořád 0 a nemůže dojít k otevření okna. Vnitřní stav čítače je uchován i po odpojení
Strana 31
napětí. Díky této vlastnosti nenastává sepnutí výstupu Q2 i po vypnutí a zapnutí celého modulu LOGO!, pokud jsou teploty ve stavu pro větrání. Čítač je resetován pomocí výstupu Q1, který slouží pro zavření okna. Pokud dojde poklesu teploty, dojde k sepnutí výstupu Q1 a současně resetování čítače, protože pokud se zavírá okno znamená to, že okno již není otevřené. Současně výstup Q2 resetuje čítač B29, který je v části D. Tímto bych ukončil popis Části C a přešel bych na popis části D. Části C a D jsou stejné a je tedy zbytečné provádět stejný popis znovu. 4. Část E Tato část programu je asi nejednoduší, ale velmi důležitá. Detail této části zobrazuje Obr. 21. Tato část programu je připojena na týdenní spínací hodiny z části programu B. Pokud je na výstupu spínače log. 1, která se přivádí na blok B14, který ji zneguje na log. 0 a tím je výstup bloku B26 rozepnut. Jakmile vyprší pracovní čas spínače, dojde zastavení činnosti programu. Je potřeba, aby po skončení vykonávání programu, došlo k zavření okna, pokud už nebylo zavřené. Na řadu přichází část programu E, která zavře okno po skončení pracovního režimu programu. Jakmile se na vstupu bloku B14 objeví log. 0 dojde k negaci na log. 1 a nastane sepnutí výstupu bloku B 26 na 2,5 minuty. Výstup bloku B26 je vstupem bloku B38 (log. součet), který provádí sepnutí výstupu Q1, tedy zavření okna. Ještě bych chtěl zmínit, že při zavíraní okna se na displeji objeví hláška „Prave se provadi zavirani okna“.
Obr. 21 Detail části E programu.
Obr. 22 Detail části F programu.
5. Část F: Detail této části programu je na Obr. 22. Tato část programu má na starost zobrazení aktuální teploty. Blok high představuje konstantu, která trvale přivádí log. 1 na vstup zprávy B34, která je trvale zobrazena na displeji. U zprávy můžeme nastavovat prioritu zobrazování a tato zpráva má nejnižší prioritu. Pokud nastane otevírání čí zavírání okna je tato zpráva přepsána zprávou o zavírání nebo otevíraní okna, které mají vyšší prioritu. Informační zpráva je zobrazena na Obr. 23. Bohužel LOGO! neumožňuje zasahovat do zobrazovaných hodnot, získaných ze vstupů analogových bloků a proto jsou řádky zobrazující teplotu bez symbolu °C.
Obr. 23 Zobrazení teploty na displeji modulu.
Strana 32
5.3
Varianta s přepínači
Nyní popíšu další variantu programu, která navazuje na finální program a rozšiřuje ji o přepínací mechanismus. Varianta s přepínači je zobrazena na Obr. 24. Program je rozdělen na dvě části, přičemž přepínací mechanismus se nachází v části A2 spolu s analogovými funkcemi. Část B2 obsahuje vyhodnocovací a spínací prvky, které už známe z předešlého programu a je tedy zbytečné si je znovu popisovat. Budeme se tedy věnovat popisu části A2.
Obr. 24 Rozdělení programu ve variantě s přepínači. 1. Část A2: Nejdříve bych měl popsat, k čemu slouží přepínací mechanismus. Jak už dříve zaznělo, tak při tvorbě programu můžeme u funkčních bloků měnit jejich parametry a pokud nezakážeme jejich parametrický mód, můžeme tyto změny provádět přímo v modulu LOGO!.V předchozím programu bylo možné měnit v parametrickém módu prahové hodnoty analogového spínače a pracovní čas u týdenních spínacích hodin. Mnoho uživatelů ze strachu z myšlenky „Něco bych tomu udělal“, by se nastavování v modulu LOGO! raději vyhnuli a proto jsem vytvořil variantu s přepínači. Nastavování prahových hodnot se nebude provádět zásahem do modulu, ale pouhým přepínáním otočného přepínače, kde každé poloze sepnutí odpovídají jiné parametry. Tímto způsobem uživatel otáčením jednoduše změní vnitřní parametry analogového spínače. Co se týče spínacích hodin, tak jsem je mohl z programu odstranit nebo ponechat. Kdybych je odstranil, tak bych současně odstranil poslední uživatelem volitelný parametr a pak by se jednalo o 100% bez zásahové zapojení. Tato varianta se mi nezamlouvala, ale abych zachoval zapojení bez nutnosti zásahu uživatele, zvolil jsem ponechat spínací hodiny s tím, že jsem je nastavil na 24 hodinový provoz. Tímto se zapojení chová jako by žádné spínací hodiny neobsahoval, přičemž zkušenější uživatel si může nastavit čas provozu řídícího systému. Detail Části A2 je znázorněn na Obr. 25, který se nachází na následující straně. Na obrázku
Strana 33
je patrné, že pro přepínací mechanismus jsou tři binární vstupy, jejichž kombinací dostanu 7 stavů (stav kdy jsou samé nuly se nepočítá). Z důvodu omezené velikosti paměti log. modulu LOGO!, jsem musel omezit na čtyři stavy. Každému stavu odpovídá jeden analogový spínač (B16,...,B19), které jsou nastavené na jiné prahové hodnoty. Pro realizaci přepínacího mechanismu, jsem si vytvořil pravdivostní tabulku, zobrazenou
Obr. 25 Detail části A2 programu. v Tab. 8 a podle této tabulky jsem zhotovil přepínací mechanismus. Funkci přepínače vysvětlím pro stav, kdy vstupy In1,In2 = 0 a In = 1, jedná se tedy o druhý stav ve zmiňované tabulce. Na vstupu I6 je log. 1, která vstupuje do bloku B03 a na vstupech I1, I2 jsou log. 0, které se znegují a přivedou na zbývající vstupy bloku B03. Tímto dojde sepnutí výstupu bloku B03 a tím přivede log. 1 na vstup bloku B22 a pokud je teplota venku větší, než je prahová hodnota sepnutí bloku B16 dojde k sepnutí výstupu bloku B22. Jakmile dojde k sepnutí jakéhokoliv z bloku B22, ..,B25 dojde sepnutí bloku B30 a tím je splněna jedna z podmínek pro otevření okna. Jak je patrné, tak každý analogový spínač má svůj spínací mechanismus nastavený na jinou kombinaci vstupů podle pravdivostní tabulky. Obdobně jako u popisované varianty nastavení vstupů, dochází k
Strana 34
I4 (In1) 0 0 0 0 1
I5 (In2) 0 0 1 1 0
I6 (In3) 0 1 0 1 0
B03 (Out1) 0 1 0 0 0
B04 (Out2) 0 0 1 0 0
B09 (Out3) 0 0 0 1 0
B08 (Out4) 0 0 0 0 1
Tab. 8 Pravdivostní tabulka spínače. přepínaní jednotlivých analogových spínačů. Kromě tohoto přepínacího mechanismu je zde blok B39, který sleduje, zda je alespoň jeden vstup sepnutý. Pokud by na všech vstupech byla log. 0, znamenalo by to, že není zvolena teplota, podle které se má provádět řízení okna. Tímto by došlo k zastavení vykonávání programu do té doby, než by došlo k volbě pracovní teploty. Dalšími analogovými bloky, jsou zde dva analogové komparátory, které zde plní stejnou funkci jako u finálního programu. To je vše co obsahuje spínací část programu a přejdu k popisu posledního programu. 5.4
Varianta s koncovými vypínači Poslední varianta programu opět vychází z finálního programu, kterou znázorňuje Obr. 26. Hlavní rozdíl oproti předchozím programům je to, že nevyužívá žádné časové funkce (kromě Týdenních spínacích hodin). Představovací doba servopohonu není řízena pomocí impulsního relé, jak to mu bylo v předchozích programech, nýbrž pomocí koncových vypínačů. Napájecí napětí servopohonu prochází přes koncové vypínače a jakmile se pohon dostane na doraz, dojde k přerušení napětí. Tohoto principu přerušení využívá i tento program, kdy dorazu pro otevření odpovídá vstup I4 (Doraz otevření) a dorazu pro zavření odpovídá vstup I5 (Doraz zavření). Tyto dorazy přerušují výstupy Q1 a Q2 . Toto jediná změna o proti předchozím programům a tímto bych ukončil popis programů.
Obr. 26 Blokové schéma programu ve variantě s koncovými vypínači
Strana 35
6
Návrh a realizace elektronických obvodů
Měření teploty se provádí pomocí odporového platinového teploměru Pt 100. Platinové odporové teploměry jsou miniaturní a tím i náchylnější na poškození. Bylo je tedy nutné uložit do ochraného pouzdra, které minimalizuje riziko poškození. Na Obr. 27 jsou zobrazeny takto upravené platinové teploměry. Takto upravené odporové teploměry se dají označit jako měřící sondy.
Obr. 27 Platinové teploměry uložené v ochraném pouzdře. Samostatný logický modul LOGO! neumožňuje zpracovávat odpor a proto firma Siemens dodává k základnímu modulu LOGO! i rozšiřující moduly vstupů a výstupů. Mezi rozšiřujícími moduly je i modul s označením AM2 PT 100, který slouží přímo pro platinové teploměry. Ten zpracuje teplotu a převede na binární hodnotu, kterou LOGO! zpracuje. Cena tohoto modulu je bohužel příliš vysoká a je dokonce vyšší než některé varianty základních modulů LOGO!. Jelikož má být cena větracího systému co nejnižší, poohlédl jsem se po jiném řešení zpracování teploty. Volba padla na zkonstruování jednoduchého převodníku, který převede odpor na napětí a toto napětí se přivede na analogové vstupy základního modulu. Toto řešení nebude mít takovou přesnost převodu teploty jako u rozšiřujícího modulu, ale vzhledem k tomu, že se jedná o větrání běžného objektu, je přesnost postačující. Spolu s převodníkem bylo potřeba vyrobit napájecí zdroj, který bude napájet převodník R/U a současně LOGO!, kde cena originálního zdroje, taktéž není zanedbatelná. Z popisem začneme u převodníku. 6.1
Převodník odpor/napětí (R/U)
První otázkou při realizaci převodníku bylo, v jakém teplotním rozsahu budeme převádět teplotu. Rozhodl jsem se, že budu pracovat v rozmezí od 10°C do 30°C. Pro tyto hodnoty jsem se rozhodl kvůli větrání. Větrat nemá smysl pokud teplota klesne pod 10°C a současně, pokud je teplota vyšší než 30°C, je větrání víc než žádoucí. Analogové vstupy log. modulu umožňují zpracovat napětí v rozsahu 0-10 V. Přirozeně tedy platí, že pro teplotu 10°C odpovídá napětí 0 V a pro teplotu 30°C odpovídá napětí 10 V. Převodník je realizovaný pomocí operačního zesilovače LM 1458, jehož vnitřní uspořádání a zapojení napájení je znázorněno na Obr. 28.
Strana 36
Obr. 28 Vnitřní zapojení operačního zesilovače LM 1458. Z obrázku je patrné, že obsahuje dva zesilovače, kde každý zpracovává jednu teplotu. Plošný spoj tohoto převodníku jsem vyráběl za pomoci softwaru EAGLE 4.11. Jedná se o speciální program pro tvorbu plošných spojů. Schéma převodníku vytvořeném tímto programem je znázorněn na Obr.29, který je na další straně. Jak je patrné z obrázku, tak se obvod skládá ze dvou stejných větví. Každá z těchto větví zpracovává jednu teplotu. Jelikož jsou obě větve stejné, popíšu princip převodníku na větvi, která zpracovává vnitřní teplotu (Pt 100 In). Princip převodníku je založen na odporových děličích napětí, kdy se jeden přivádí na invertující vstup zesilovače (2) a druhý na neinvertující vstup (3). Odporový dělič napětí přiváděný na neinvertující vstup je realizovaný pomocí rezistoru R12 a odporového platinového teploměru Pt 100. S rostoucí teplotou roste odpor teploměru. Z principu děliče napětí je patrné, že když poroste teplota a tím i odpor, bude se napětí na neinvertujícím vstupu zvětšovat. Druhý odporový dělič napětí, je tvořen jedním trimrem R1 a dvěma rezistory R3, R6. Pomocí trimru nastavíme dělič napětí tak, že při teplotě 10°C bude na obou vstupech stejné napětí. Od napětí na neinvertujícím vstupu se odečítá napětí na invertujícím vstupu. Tento rozdíl je zesílen operačním zesilovačem a přiveden na výstup 1. Z toho plyne, že při teplotě 10°C bude výstupní napětí nulové (10°C = 0 V), protože rozdíl dvou hodnot se rovná nule. Při teplotě 30°C bude napětí na vstupu 3 větší než na vstupu 2, tím nebude rozdíl roven nule. Po zesílení tohoto rozdílu bude na výstupu 1 napětí 10 V (30°C = 10 V). Zesílení operačního zesilovače je realizované pomocí zpětné vazby. Zpětná vazba je tvořena dvěma v sérii zapojenými rezistory R9, R10. K těmto rezistorům je paralelně připojený kondenzátor C1, který slouží pro odfiltrování frekvenčních špiček. Napájecí vývody operačního zesilovače jsou znázorněny vpravo dole (s označením 4, 8). Tyto napájecí vývody jsou spojeny se svorkou X4 na, kterou se přivádí napájecí napětí operačního zesilovače. Zesilovač je napájen symetrickým napětím ± 12V. Na svorku X1-1 se přivádí +12 V, na svorku X4-3 se přivádí -12 V a na svorku X4-2 je přivedena zem. Svorky X1, X2 slouží pro připojení teploměrů. Svorky X3 představují výstupy. Na svorce X3-3 je převedené napětí z vnitřní teploty, které se přivádí na analogový vstup (AI2) modulu LOGO!. Svorka X3-2 představuje převedené napětí z venkovní teploty, které se přivádí na analogový vstup (AI1) modulu. Na svorce X3-3 je společná zem.
Strana 37
Obr. 29 Schéma převodníku R/U. Po té co jsem popsal funkci převodníku, uvádím jeho výslednou podobu, která je znázorněna na Obr. 30, 31.
Obr. 30 Převodník R/U ze strany součástek.
Obr. 31 Převodník R/U ze strany cest.
Strana 38
Následující seznam uvádí všechny součástky na zhotovení Převodníku R/U včetně cen jednotlivých součástek:
Rezistory:
Kondenzátory: IO: Svorky
R1, R2 R3, R4 R5, R6 R7, R9 R8, R10 R11, R12 C1, C2 LM 1458 dvojitá trojitá
Trimr 1k 15k8 (přesnost 0,1%) 130R (přesnost 0,1%) 10k (přesnost 0,1%) 180k (přesnost 0,1%) 13k3 (přesnost 0,1%) M68
2x6 Kč 2x5,5 Kč 2x5,5 Kč 2x5,5 Kč 2x5,5 Kč 2x5,5 Kč 2x2 Kč 1x5 Kč 2x 2,3Kč 2x 3,5Kč
Po sečtení cen všech součástek dostanu cenu 88 Kč včetně DPH. K této ceně se ještě musí připočítat cena plošného spoje, která může činit přibližně 20 Kč. Celkové náklady na zhotovení převodníku jsou 108 Kč včetně DPH. Ceny jsou vypsané s ceníku firmy GM elektronik pro rok 2006.
6.2
Napájecí zdroj
Schéma napájecího zdroje je znázorněno na Obr.32. Pro napájecí zdroj jsem požil transformátor s vyvedeným středem, který jsem použil z původního regulačního systému Komextherm. Výstupní napětí transformátoru činí 2x ~18 V, kde jsou napětí vzájemně posunuta o 180°. Nejdůležitějšími prvky zdroje, je dvojice pevných stabilizátoru. Jedná se o stabilizátory 7812 (IC1) a stabilizátor 7912 (IC2). Výstupní napětí obou stabilizátorů je 12 V, přičemž 7812 stabilizuje kladné napětí a 7912 záporné napětí. Tímto vytvoříme symetrické napětí ±12 V, kterým napájíme převodník R/U. Výstupní napětí z transformátoru je usměrněno pomocí dvojcestného usměrňovače, jedná se o diody D1,D2. Dioda D1 propouští pouze kladnou půlvlnu střídavého napětí, která se vyhlazuje pomocí elektrolytického kondenzátoru C1. Naopak dioda propouští pouze zápornou půlvlnu střídavého napětí, která se opět vyhlazuje pomocí elektrolytického kondenzátoru C2. Kondenzátory C4, C5 slouží k odfiltrování rychlých frekvenčních změn. Dioda D3 spolu s kondenzátorem C3 vytváří jednocestný usměrňovač, který napájí LOGO!. Jednocestný usměrňovač se označuje jako měkký zdroj, což znamená, že po zatížení klesá jeho výstupní napětí. Výstupní napětí tohoto zdroje je 28 V a po zatížení je jeho hodnota 26 V. Napájecí napětí log. modulu LOGO! začíná na 21 V a proto tento zdroj vyhovuje. Součástka F1 je tavná pojistka na napětí 230V a proud 80mA. Na závěr popisu schématu si popíšeme jednotlivé svorky. Na svorky X5 se přivádí napětí z transformátoru. Svorky X4, X7, X8 jsou výstupní, kde svorky X4 napájí LOGO!, X7 napájí Převodník R/U a X8 servopohon. Na svorku X1 se přivádí napětí ~230 V, na svorky X2 se připojuje vypínač a
Strana 39
na svorky X3, je připojeno primární vinutí transformátoru. To je tak vše, co se dá říct o napájecím zdroji.
Obr. 32 Schéma napájecího zdroje. Vytvořený napájecí zdroj je zobrazen na obrázcích Obr. 33, 34. Můžeme si všimnout, že pevné stabilizátory napětí jsou pasivně chlazeny, což přidává na profesionalitě vyrobeného zdroje.
Obr. 33 Napájecí zdroj ze stany součástek.
Obr. 34 Napájecí zdroj ze strany cest.
Strana 40
Zde je seznam všech použitých součástek včetně jejich cen: Kondenzátory: Diody: Stabilizátory: Svorky Pojistkové pouzdro: Pojistka:
C1, C2, C3 C4, C5 D1, D2, D3 7812 7912 dvojité trojité
1000M/35V 100N/63V 1N4007
80mA/250V
3x6 Kč 2x1 Kč 3x1 Kč 1x8 Kč 1x8 Kč 4x2,3 Kč 3x3,5 Kč 1x5 Kč 1x7 Kč
Po sečtení cen všech součástek se dostávám k ceně 71 Kč včetně DPH. K této ceně se ještě musí připočítat cena plošného spoje, která může činit 20 Kč. Celkové náklady na zhotovení převodníku je 91 Kč včetně DPH. Ceny jsou vypsané z ceníku firmy GM elektronik pro rok 2006. Ještě bylo třeba dokoupit síťový vypínač v hodnotě 15 Kč, jeden páčkový vypínač za 7 Kč a jeden páčkový přepínač za 15 Kč. Celková pořizovací cena obou plošných spojů a použitých vypínačů/přepínačů činí 197 Kč.
Strana 41
7
Úprava původního zařízení Komextherm
7.1
Před úpravou Na Obr. 35 je zobrazeno původní zařízení, které není nikterak zajímavé. Na původním zařízením budou patrné provedené změny. Při úpravě původního regulačního obvodu Komextherm nezůstal kámen na kameni, protože jsem ponechal z původního systému jenom servopohon, transformátor a příslušnou krabici, ve které jsou umístěny všechny komponenty.
Obr. 35 Komextherm pře úpravou. 7.2
Po úpravě Obrázek 36 zobrazuje přední stranu upraveného větracího systému. Z obrázku je
Obr. 36 Přední strana větracího zařízení.
Strana 42
patrné, že při tvorbě větracího systému byla potřeba nejen naprogramovat LOGO!, vytvořit plošné spoje, ale také zámečnické práce (řezání, pilování, svařování, vrtání). Na předním panelu je umístěné LOGO! v zapnutém stavu, černý síťový vypínač a dvojice páčkový přepínačů. Přepínač s červenou krytkou slouží pro přepínání mezi automatickým a manuálním režimem. Druhý páčkový přepínač se aktivuje v manuálním režimu a slouží pro manuální otevření či zavření okna. Přepínač má tři polohy: otevřeno, klidový stav a zavřeno. Na dalším obrázku Obr. 37 je zobrazena zadní strana větracího systému, na kterém můžeme vidět LOGO!, napájecí transformátor a dvojici plošných spojů.
Obr. 37 Zadní strana větracího zařízení. V závěru této kapitoly uvedu celkové náklady na realizaci větracího systému.V ceně nebude započítaná hodnota servopohonu, protože neznám jeho pořizovací cenu. LOGO!: Plošné spoje: Pt 100: Transformátor:
3 800 Kč 197 Kč 2x 100 Kč 100 Kč
∑
4 297 Kč
Celková pořizovací cena větracího systému činí necelých 4300 Kč bez servopohonu. Nejdražší položkou je LOGO!. Zmiňovaná cena modulu, je pro verzi 12/24 a v revizi 0BA5 a získal jsem ji z ceníku firmy Siemens platného od 1.1.2006. Bylo by logické kdyby cena staršího moulu 0BA3 byla menší, než cena nejnovějšího modulu 0BA5, ale je tomu přesně naopak a z tohoto důvodu uvádím cenu nejnovějšího modulu. Celková cena větracího systému není nejnižší ale taky není přemrštěná a ještě spadá do levného větracího systému. Větrací systém by šel realizovat i levněji, ale zase by nebyl tolik uživatelsky přívětivý a nenabízel by takové možnosti.
Strana 43
7
Závěr a poznatky z provozu větracího systému
V této práci jsem se zabývat systémem automatického větrání místnosti pomocí otvírání/zavírání okna při splnění určitých podmínek. Konkrétně, pokud je teplota vně okna vyšší než v místnosti, zařídí automatický mechanismus otevření příslušného okna. Prvním krokem při realizaci této bakalářské práce byla volba správné řídící jednotky, která obstarává řídící logiku. Rozhodl jsem se realizovat tuto jednotku pomocí logického modulu LOGO!. Zabýval jsem sem se podrobnému popisu jeho hlavních vlastností a technických parametrů. Postupně jsem objasnil princip elektronického řízení ovládacího prvku, kterým je v tomto případě upravené původní zařízení Komextherm, ze kterého jsem použil pouze servopohon, transformátor a obal. Dále jsem se zabýval problematikou sestavování programů, které jsem přizpůsoboval co největšímu spektru potenciálních uživatelů. Proto jsem zhotovil tři varianty programu, kde každá klade jiné nároky obsluhy. Od popisu programů jsem se dostal k návrhu a realizaci pomocných elektronických obvodů. Díky těmto obvodům jsem mohl zachovat příznivou cenou celého větracího systému a přitom ponechat vysoký komfort. Na závěr jsem si připravil krátké srovnání původního systému Komextherm se systémem dle mé úpravy. Při počátečním provozu jsem se setkal s jedním nedostatkem. Jednalo se o špatnou volbu hystereze u analogových komparátoru, které sledují zda teplota vevnitř není větší než teplota venku. Hysterezi jsem nastavil na 2°C, tento rozsah byl nedostatečný, protože při provozu jsem se setkal se situací, kdy teplota venku měla stejnou teplotu jako teplota vevnitř mého pokoje. To, že teplota byla stejná, by nevadilo, ale problém byl v tom, že tato teplota neustále klesala a stoupala kolem teploty vevnitř pokoje. Tyto výkyvy byly právě o 1°C, což mělo za následek neustále otvírání a zavírání okna. Z tohoto nedostatku jsem se poučil a nastavil hysterezi na 3°C, tuto hodnotu uvádím při popisu finálního programu. Další nedostatky jsem už nezpozoroval, to je dáno i tím, že než jsem nahrál program do modulu LOGO! pečlivě jsem si odsimuloval jeho funkci. Větrací systém provozuji doma více než jeden měsíc a zatím pracuje spolehlivě.
Strana 44
Seznam použité literatury: [1] Příručka pro LOGO! - 8. vydání. Siemens, s.r.o., kancelář Brno, A&D AS, 07/2005. [2] Dokumentace fy Komextherm Praha. [3] Siemens, informace o Mikrosystémech, Dostupné z < www.siemens.cz/mikro >
