)HULWRYpMiGUR 2VFLOiWRU 'HWHNWRU.ORSQêREYRG.RQFRYêþOHQ

Vážení zákazníci, dovolujeme si Vás upozornit, že na tuto ukázku knihy se vztahují autorská práva, tzv. copyright. To znamená, že ukázka má sloužit výhradnì pro osobní potøebu potenciálního kupujícího (aby ètenáø vidìl, jakým zpùsobem je titul zpracován a mohl se také podle tohoto, jako jednoho z parametrù, rozhodnout, zda titul koupí èi ne). Z toho vyplývá, že není dovoleno tuto ukázku jakýmkoliv zpùsobem dále šíøit, veøejnì èi neveøejnì napø. umisováním na datová média, na jiné internetové stránky (ani prostøednictvím odkazù) apod. redakce nakladatelství BEN – technická literatura

[email protected]

3.

TECHNICKÉ PROSTØEDKY ØÍDICÍCH SYSTÉMÙ

V této kapitole se zamìøíme na technickou stránku øídicích systémù. Popíšeme si hlavní reprezentanty vstupních èidel, výstupních zaøízení, obvodová øešení øídicích systémù a popíšeme si jejich konkrétní pøíklady.

3.1

VSTUPNÍ ZAØÍZENÍ

Obecný popis vstupních zaøízení jsme absolvovali již v kapitole 1.2. Odtud také víme, že pøíkladem vstupního zaøízení je tøeba tlaèítko nebo snímaè polohy, obecnì zaøízení nesoucí informaci z øízeného dìje. Vstupní zaøízení lze obecnì rozlišit podle nìkolika kritérií: podle fyzikálních vlastností (velikost, parametry apod.), podle zpùsobu pøevodu vstupní fyzikální velièiny na elektrický signál apod. Zde si dovolíme malé zjednodušení a vstupní zaøízení rozdìlíme na tyto typy: n n

binární èidla (dvojhodnotová), vícehodnotová èidla (analogová se spojitým signálem, absolutní, inkrementální apod.).

Jako zvláštní druh si potom popíšeme nìkterá èidla rozpoznávání obrazové informace, jejichž význam nabývá v souèasné dobì na vysoké dùležitosti s postupným vytváøením složitých øídicích systémù s možností rozpoznávání scény.

3.1.1

Binární èidla

Binární èidlo je zaøízení, které pøevádí dva možné mechanické krajní stavy na dvì rozlišitelné hodnoty napìtí (resp. proudu). Klasickým pøíkladem binárního èidla je mechanický koncový spínaè (obr. 49), který slouží napø. ke snímání koncových poloh urèitého pohyblivého mechanizmu. Z hlediska nutnosti napájení lze binární èidla rozlišit do dvou základních skupin: n n

pasivní binární èidlo (bez nutnosti napájení), aktivní binární èidlo (s napájením).

Do skupiny pasivních binárních èidel lze ve smyslu našeho definování øadit rùzné typy kontaktních spínaèù, pøepínaèù, tlaèítek, jazýèkových relé apod., které nepotøebují pro svoji èinnost vnìjší napájení. Klasickým pøíkladem pasivního binárního èidla je tzv. koncový snímaè (obr. 41), což je vlastnì dvoupolohový spínaè (vìtšinou s jedním elektrickým pøepínacím kontaktem) s dobøe provedenou mechanickou konstrukcí odolávající A

Øízení a vizualizace technologických procesù

59

okolnímu prostøedí (prach, støíkající voda apod.). Mechanicky se tento prvek upevní na vhodném místì tak, aby jej nebylo možno posunout a mechanicky nebo jinak poškodit, elektricky se pøipojí vhodným kabelem, který se pøivede na vstupní jednotku ØS.

Obr. 41

Koncový spínaè

Pro dosažení vysoké životnosti a zvýšení mechanické odolnosti se velmi èasto používají aktivní binární èidla – bezkontaktní snímaèe polohy (obr. 42). Jde o elektronické souèástky, které díky své konstrukci dokážou rozlišit s požadovanou pøesností pøiblížení pohyblivé èásti mechanizmu nebo tìlesa (napø. clonky nebo praporku) s ním mechanicky spojeného. Lze se setkat s rùznými typy snímaèù využívajících rùzných fyzikálních jevù, z nichž každý je vhodný pro jinou aplikaci.

Obr. 42 60

Bezkontaktní snímaèe Øízení a vizualizace technologických procesù

A

Indukèní snímaè je urèen pro snímání polohy kovového tìlesa (napø. praporku spojeného s pohyblivou èástí mechanizmu). Blokové schéma tohoto typu snímaèe je naznaèen na obr. 43. V blízkosti èela snímaèe je umístìno feritové jádro cívky oscilaèního obvodu. Oscilátor kmitá na urèitém pevném kmitoètu. Pøiblížením kovového pøedmìtu do blízkosti jádra (tedy k èelu snímaèe) dojde k rozladìní oscilátoru. Zmìna kmitoètu se po detekci vyhodnotí a klopný obvod se pøepne do druhého stavu. Z praktických dùvodù se lze setkat se snímaèi s výstupním bipolárním tranzistorem vodivosti jak NPN, tak PNP. Na obr. 44 je znázornìno nìkolik rùzných zpùsobù zapojení výstupní èásti snímaèù. Typické zapojení výstupní èásti s bipolárním tranzistorem vodivosti NPN je znázornìno na obr. 44a, s bipolárním tranzistorem vodivosti PNP je znázornìno na obr. 44b. Pro nìkteré aplikace je výhodné využít tzv. dvouvodièové zapojení, které je znázornìno na obr. 44c. Zapojení výstupní èásti snímaèe pro støídavé napájecí napìtí se spínacím prvkem – triakem – je uvedeno na obr. 44d, s unipolárním tranzistorem na obr. 44e. V obou pøípadech je na výstupu zapojen mùstkový usmìròovaè (tzv. Graetz). Pøi aplikaci snímaèù podle zapojení na obr. 44c–e je tøeba poèítat s tím, že odpor v sepnutém stavu je pomìrnì vysoký (øádovì desítky až stovky ohmù).  9' 97

)HULWRYpMiGUR

2VFLOiWRU

'HWHNWRU

.ORSQêREYRG

.RQFRYêþOHQ

5

±

a) s výstupním tranzistorem vodivosti NPN  97

5 9' )HULWRYpMiGUR

2VFLOiWRU

'HWHNWRU

.ORSQêREYRG

.RQFRYêþOHQ

±

b) s výstupním tranzistorem vodivosti PNN Obr. 43 A

Blokové schéma indukèního snímaèe Øízení a vizualizace technologických procesù

61

9' 9'





5

9' 9' 9'

9'

± a)

$

97\

Obr. 44

9'

9'

c)

d)

±

b)

9'

9' 9'

5



±

$

97 9'%

9'%

%

9'

%

e)

Pøíklady zapojení výstupní èásti snímaèù

Kapacitní snímaè využívá pro snímání polohy zmìny kapacity kondenzátoru v èidle prostøednictvím zmìny permitivity, tedy vlastnosti dielektrika kondenzátoru. Toto èidlo, jehož blokové schéma je na obr. 45, je vhodné zejména pro nevodivá tìlesa (napø. snímání hladiny vody apod.). Optický snímaè (nìkdy též nazývaný svìtelná závora) tvoøí èoèka, která soustøeïuje svìtelný tok na svìtlocitlivý prvek (fototranzistor). Je-li èidlo osvìtleno, fototranzistor sepne, klopný obvod se pøeklopí a èidlo dosáhne druhého stavu. Blokové schéma tohoto typu snímaèe je na obr. 46.

62

Øízení a vizualizace technologických procesù

A

 9' 97

.DSDFLWQt þLGOR 2VFLOiWRU

Obr. 45

'HWHNWRU

.ORSQêREYRG

5

±

.RQFRYêþOHQ

Blokové schéma kapacitního snímaèe  9' 97

ýRþND

Obr. 46

)RWRFLWOLYê SUYHN

.ORSQêREYRG

.RQFRYêþOHQ

5

±

Blokové schéma optického snímaèe

Optický snímaè potøebuje pro svoji èinnost vysílaè (zdroj) svìtla buï ve viditelném nebo v infraèerveném spektru. Èasto lze použít jako vysílaè svìtla žárovku nebo svìtloemitující diodu (LED). Nìkteré optické snímaèe mají zabudovaný vysílaè svìtla (diodu LED) pøímo v tìlese èidla. Na obr. 47 je znázornìn typický pøíklad využití optického snímaèe. Na obr. 47a je využití snímaèe s oddìleným vysílaèem a pøijímaèem svìtla. Svìtlené paprsky vysílané z vysílaèe jsou pøijaty v pøijímaèi. Je-li však tok paprskù pøerušen, èidlo zareaguje a rozepne. Na obr. 47b je znázornìn pøíklad jiného snímaèe s vysílaèem a pøijímaèem v jednom tìlese. Svìtlené paprsky vysílané z vysílaèe se po odražení od reflektoru vrací zpìt do pøijímaèe. Je-li svìtelný tok pøerušen, èidlo rozepne. Z elektrického hlediska jsou výstupní obvody všech snímaèù zapojeny obdobnì, tak jak bylo uvedeno na obr. 44. Nìkdy je tøeba snímaèe zapojit paralelnì, pøíp. sériovì. Pøíklady takových zapojení jsou uvedeny na obr. 48. Z parametrù èidla vždy vyplývá, jakým maximálním proudem lze výstupní tranzistor zatìžovat. Tento údaj je dùležitý pøedevším v pøípadì, kdy budeme chtít tímto tranzistorem pøímo spínat nìjaký obvod (napø. cívku relé, žárovku apod.). Vstupní obvody ØS jsou obvykle konstruovány pro proudovou zátìž 5 až 10 mA pøi napájecím napìtí typicky 24 V, nebo obvykle mají na vstupu zapojen oddìlovací optron. A

Øízení a vizualizace technologických procesù

63

a) s oddìleným vysílaèem a pøijímaèem

3 LMtPDþ VY WHOQê SDSUVHN

b) s integrovaným vysílaèem a pøijímaèem

9\VtODþ

5HIOHNWRU VY WHOQê SDSUVHN

2EMHNW

6QtPDþ Y\VtODþDS LMtPDþ

8 ±8

2EMHNW Obr. 47

5]

Pøíklad použití optického snímaèe 

131

5 ±



131

5 ±

Obr. 48

Pøíklady zapojení snímaèù a) paralelní zapojení snímaèù NPN 64



131

5 ±

Øízení a vizualizace technologických procesù

A

8 ±8

5] 

131

5 ±



131

5 ±

Obr. 48

Pøíklady zapojení snímaèù b) sériové zapojení snímaèù NPN



131

5 ±

Pøíklady typického pøipojení binárních èidel ke vstupním obvodùm øídicího systému je uvedeno v kapitole 3.3.1.

3.1.2

Vícehodnotová èidla

V celé øadì pøípadù nevystaèíme s rozlišením pouze krajních nebo jiných mezních poloh mechanizmù, které dovoluje binární èidlo. V tomto pøípadì se použije èidlo s vícehodnotovým rozlišením. Vícehodnotová èidla lze stejnì jako binární dìlit na: n n A

pasivní èidla (bez nutnosti napájení), aktivní èidla (s napájením). Øízení a vizualizace technologických procesù

65

Typickými pøíklady pasivních vícehodnotových èidel jsou napø. odporové snímaèe (pro snímání polohy, hladiny, teploty, tlaku apod.), termoèlánky (pro snímání teploty) a další prvky nevyžadující vnìjší napájení. Typické zapojení tohoto druhu èidel je uvedeno na obr. 49. Jde v podstatì o mùstkové zapojení rezistorù, které je napájeno v jedné úhlopøíèce referenèním napìtím Ur, výsledné napìtí Um je snímáno ve druhé úhlopøíèce. Rezistory R1 a R2 bývají stejné hodnoty, rezistorem Rtrim lze mùstek vyvážit.

5

5

WULP

8 D

P

5

5 Y Obr. 49

8

U

E

Typické zapojení pasivního odporového snímaèe

Velmi èasto se používají moderní elektronická aktivní vícehodnotová èidla vyžadující napájení. Patøí sem napø. analogová èidla pracující se spojitým signálem (pro mìøení vzdálenosti, teploty, prùtoku plynù a tekutin apod.), dále pak èíslicová èidla pracující s nespojitým signálem s rùzným stupnìm rozlišení (absolutní èidla polohy, pøírùstková (inkrementální) èidla polohy apod.) a další. Tato èidla vìtšinou již obsahují elektronickou èást, která pøedzpracovává výsledný signál a pøevádí jej na elektrický signál s možností dalšího zpracování v pøíslušné vstupní jednotce ØS. Analogová èidla jsou svým vzhledem velice podobná èidlùm binárním. Dokonce i pro popis vnitøní struktury bychom mohli i èásteènì vycházet z blokových schémat tìchto èidel. Avšak místo klopného obvodu obsahují tato èidla obvod pro linearizaci výsledného signálu, takže spojitý výstupní signál bývá v rozsahu proudù 0 až 20 mA, 4 až 20 mA, napìtí 0 až +10 V, –10 V až +10 V apod. s dobrou linearitou a pomìrnì vysokou pøesností v širokém rozsahu. Výstupní signál tìchto èidel je nutno zpracovávat analogovými vstupními kartami ØS s dostateènou rychlostí pøevodu. Pøíkladem tohoto typu èidel jsou indukèní èidla pro mìøení vzdálenosti øady E2CA firmy Omron, které umožòují mìøit vzdálenosti v rozmezí 0,3 až 10 mm (podle typu). Pøíklad využití analogového èidla v konkrétní aplikaci je naznaèen na obr. 50, kde èidlo slouží k pøesnému odmìøování tloušky polotovaru (napø. pøi válcování plechu apod.) mìøením vzdálenosti pøítlaèných válcù.

66

Øízení a vizualizace technologických procesù

A

ýLGOR 9êVWXS =HVLORYDþ

Obr. 50

Pøíklad využití analogového èidla

Èíslicová èidla produkují nespojitý signál – èíslicovou informaci, z jejíž hodnoty se následnì odvozuje pøíslušná analogová velièina. Pøíkladem tohoto typu èidel jsou absolutní a pøírùstková èidla polohy. Princip tìchto èidel si nyní vysvìtlíme. Mìjme dán pomìrnì jednoduchý úkol: rozlišit vìtší poèet poloh urèitého mechanizmu. Na obr. 48a je znázornìn mechanizmus a celkem ètyøi binární snímaèe SQ1 až SQ4, která indikují polohy mechanizmu ve ètyøech místech. ØS musí v tomto pøípadì vyhodnotit ètyøi vstupní signály z binárních èidel. Je zøejmé, že pøi správné funkci bude aktivní maximálnì jeden ze vstupních signálù. Vytvoøme nyní jakési pravítko – sklenìnou destièku s fotogalvanicky nanesenou vrstvou tvoøící clonky pro dva svìtlocitlivé prvky SQ1 a SQ2 (napø. fototranzistory) osvìtlované svìtloemitujícími prvky (napø. žárovky, diody LED apod.), které pøivedeme na vstupy ØS (podle obr. 51b). Toto pravítko mechanicky spøáhnìme s pohyblivou èástí mechanizmu. Pøi pohybu posuvného mechanizmu se budou prùchodem svìtla clonkami na pravítku osvìtlovat prvky SQ1 a SQ2. Vytvoøili jsme tak jednoduché absolutní èíslicové èidlo. Každé kombinaci signálù ze svìtlocitlivých prvkù SQ1 a SQ2 odpovídá právì jedna poloha mechanizmu. Ve skuteènosti se setkáme s potøebou rozlišit mnohem vìtší poèet možných poloh, takže poèet snímaèù v absolutních èidlech bývá je obvykle 8, 10, 12, 16 i více. Každý z n snímaèù použitých v èidle vytváøí signál s jistou váhou (i-tý snímaè generuje signál s váhou 2i–1, kde i je celé èíslo z intervalu <1, n>). Poèet rozlišených poloh pak bude 2n. Kód realizovaný na pravítku nebývá binární, ale tzv. symetrický, u nìhož se dvì sousední polohy liší jen v jediném bitu. Tímto kódem je napø. kód Grayùv, který je použit i na pøíkladu uvedeném na obr. 51b. V tab. 8 je pro názornost uvedeno srovnání binárního kódu, BCD-kódu a Grayova kódu pro n (tj. poèet binárních snímaèù v èidle) rovno 4, tedy pro rozlišení 24 = 16 poloh.

A

Øízení a vizualizace technologických procesù

67