NAGY Sándor dipl.ing. AZ IRÁNYÍTÁSTECHNIKA ALAPJAI

NAGY Sándor dipl.ing.

AZ IRÁNYÍTÁSTECHNIKA ALAPJAI

Szabadka, 2006

NAGY Sándor - Az irányítástechnika alapjai ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

ELŐSZÓ Az irányítástechnika alapjai jegyzet a Műszaki Középiskola diákjai számára készült. A diákok ugyanezen név alatt, a tanttárgyat a következők szerint tanulják: Szakterület: Elektrorechnika A tantárgy megnevezése

Szakirány

Az irányítástechnika alapjai Az irányítástechnika alapjai

Erősáramú elektrotechnikus Számítógépelektrotechnikus

Osztály 4. 4.

Elmélet 2 (62) 3 (93)

Gyakorlat 1 (31) 1 (31)

Az irányítástechnika tanulásának a legideálisabb módja: - Matematikai elmélet + Korszerű műszaki megvalósítás Ha a gyakorlatot és a pénzkeresést későbbre halasztjuk: - Elég ha csak elméletet tanulunk (de csak ha jól tudjuk a matematikát) a műszaki megvalósításokat pedig majd az életben Ha gyorsan szeretnénk pénzt keresni, még ha nem is olyan sokat: - Kizárólag korszerű műszaki megvalósításokat tanuljunk, mivel az elmélethez még nincsenek (vagy nem is lesznek) meg a matematikai alapjaink Az irányítástechnika tanulásának rossz változata: - Matematikai elmélet elavult műszaki megvalósításokkal példázva És a legrosszabb (kivéve ha az illető nem technikatörténésznek készül): - Elavult műszaki megoldások tanulmányozása A jegyzetben a fő hangsúlyt a korszerű szakmai és gyakorlati ismeretek, és az ennek megfelelő terminológia elsajátítására és megértésére helyeztem. Az irányítás (technika) és a jelfeldolgozás elméleti tárgyalása csak másodlagos szempont. A jegyzetben azonban többször is történik utalás az elméleti szemléletmód, a műszaki megvalósítástól független, univerzális és absztrakt voltára. Ezzel egyidejűleg kihangsúlyozom az elméleti szemléletmód időtállóságát is. A hivatalos minisztériumi programtól a jegyzet abban tér el, hogy egy kissé szűkebb teret ad az elméletnek (állapotegyenletek, Bode diagramok), de kompenzálásképpen az irányítástechnika középpontjába a mikroszámítógépeket (mikroprocesszor, mikrovezérlő), PLC-ket és a PC-ket helyezi. Az alkalmazott fogalomrendszer is ezekhez a megváltozott körülményekhez igazodik A jegyzetben sok utatlás és ötlet található különböző témájú diplomamunkák kidolgozásához. Gyakran egy-egy konkrét gyártói típus (elem, készülék, szenzor stb.), árakkal és műszaki adatokkal is említésre kerül. Ezek figyelmesen, középiskolai kísérletezgetések céljaira, a legkisebb ár alapján lettek kiválogatva. Ne okozzon később majd meglepetést, hogy az igazi ipari célokra kidolgozott, pontos és magas performanciájú eszközök ára a jegyzetben szereplőknek a többszöröse is lehet. A jegyzetet végigolvasó és a gyakorlati órákon résztvevő diákok képesek lesznek, mikrokontrollerrel vagy PLC-vel irányított, és PC-vel kommunikálni tudó, kisebb rendszerek megvalósítására. Szabadka, 2006. szeptember 1.-én A

s

z e r z ő

Nagy Sándor okl. villamosmérnök MÜSZAKI ISKOLA - SZABADKA

2 / 159


Tartalomjegyzék 1. Bevezető 1.1 1.2 1.3 1.4

Anyag, energia és információ Történelmi visszatekintés A korszerű irányítástechnika Az irányítástechnika jelentősége

2. Az irányitástechnika alapfogalmai 2.1

Folyamatirányítás

2.2 A folyamat 2.2.1 Példák az irányított folyamatokra (irányított objektumokra, berendezésekre):

2.3

Irányíthatóság és megfigyelhetőség

2.4

Aktorok – Aktuátorok (beavatkozó szervek)

2.5

Szenzorok (érzékelők)

2.6

A jelfeldolgozás

2.7

Az ember és az irányítástechnikai rendszer kapcsolata

2.8

Csatlakoztatók (interfész)

2.9

Az irányítóberendezés

2.10 Az irányítástechnikai rendszer (vagy csak rendszer) 2.10.1 Példa egy irányítástechnikai rendszerre

2.11 A zavarok 2.12 A hatáslánc (jelfolyam) 2.13 Önműködő és kézi irányítás (Auto – Manual Control) 2.14 A folyamatok távirányítása 2.15 Az irányítástechnikai elméleti tanulmányozása 2.16 Más fogalmak használata

3. Az irányítástechnikai rendszerek osztályozása és felosztása 3.1 Vezérlés és szabályozás 3.2 Állandósult (stacionáris) és átmeneti (tranziens) állapot 3 / 159


3.3

Stabilis és nem stabilis állapot

3.4 Lineáris és nemlineáris rendszerek 3.5 Folyamatos és mintavételezett rendszerek 3.6 Analóg és diszkrét (digitális) jelek (rendszerek) 3.7 Egyszerű, összetett és komplex irányítástechnikai rendszerek 3.7.1 Központosítot (centralizált) rendszerek 3.7.2 Disztribuált rendszerek

3.8 Mechanikus/pneumatikus/villamos stb. rendszerek

4. Szenzorok (érzékelők) 4.1 Szenzorok és mérőátalakítók. 4.2 Hőmérsékletérzékelők 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.2.6 4.2.7

Termoelem – Termopár Platina ellenálláshőmérő Termisztor Félvezetőböl készült hőmérsékletérzékelők IC -és (inegrált árramkör) hőmérsékletérzékelők IC -és digitális hőmérsékletérzékelők Termosztát

4.3 Az elmozdulás, út és a pozició érzékelése és mérése 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5

Az elmozdulás érzékelése potencióméterrel Az elmozdulás érzékelése differenciális transzformátorral Az út mérése inkrementális adóval Az pozíció meghatározása digitális mérőléccel Véghelyzetkapcsolók

4.4 A sebesség és a fordulatszám érzékelése és mérése 4.4.1 Az fordulatszám érzékelése tachogenerátorral 4.4.2 Az fordulatszám mérése inkrementális adóval

4.5 Az erő érzékelése és mérése 4.5.1 Az erő érzékelése mérőszalagokkal 4.5.2 Az erő mérése elmozdulás alapján 4.5.3 Az erő mérése piezoelektromos szenzorokkal

4.6 A nyomás mérése 4.6.1 4.6.2 4.6.3 4.6.4 4.6.5

Kapacitív nyomásérzékelők Az nyomás mérése membránokkal A Burdon cső Speciális nyomásérzékelők Nyomáskapcsoló (preszosztát) 4 / 159


4.7 A folyadékszint mérése 4.7.1. 4.7.2. 4.7.3. 4.7.4

A szint mérése a hidroszatikus nyomás alapján Egyszerű úszós szintmérő Kapacitív szintmérők Szintkapcsoló (nívósztát)

4.8 Az áramlás mérése 4.8.1. 4.8.2 4.8.3 4.8.4 4.8.5

Turbinás áramlásmérő Az áramlás mérése nyomáskülömbség alapján Termikus áramlásmérő Induktív (elektromágneses) áramlásmérő A szalagmérleg

4.9 A fény érzékelése (fotometria) 4.9.1 4.9.2 4.9.3 4.9.4 4.9.5

Fényellenállás Fotodióda Fototranzisztor Speciális fényérzékelő IC-ék Fénysorompók

4.10 Vegyi jellemzők mérése 4.10.1 A levegő relátív nedvességének a mérése 4.10.2 A gázösszetétel mérése 4.10.3 A pH érték mérése

4.11 Az idő mérése

5. Aktorok - Aktuátorok 5.1 Aktorok, beavatkozó szervek, végrehajtó szervek 5.2 Pneumatikus és hidraulikus munkahengerek 5.2.1 Munkahengerek 5.2.2 A munkahengerek működtetése

5.3 Szelepek és csapok 5.4 Aszinkron motorok (AC Induction Motors) 5.4.1 Háromfázisú aszinkron motorok 5.4.2 Egyfázisú aszinkron motorok 5.4.3 Az aszinkron motorok fordulatszámának a változtatása

5.5 Egyenáramú motorok (DC motors) 5.6 Léptetőmotorok (Stepping motors) 5.7 Szinkron motorok 5.8 Egyéb mechanikai eszközök 5 / 159


A jegyzet jelen pillanatban idáig van feldolgozva. Az ezt követő szövegrész hiányos nem végleges formájú és nincs rendszerezve

6. Csatlakoztatók - interfészek 6.1 A szenzorok csatlakoztatói 6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.4 6.1.5 6.1.6 6.1.7 6.1.8

A mérőhíd (Wheatstone – híd) alkalmazása A műveleti erősítők alkalmazása Az insztrumentációs erősítő (műszererősítő) Az áramgenerátor alkalmazása A linearizálás fogalma A/D és D/A átalakítók, PWM Gyorsszámlálók Gray kód átalakítása binárissá

6.2 Az aktorok csatlakoztatói 6.2.1 Erősáramú kapcsolókészülékek 6.2.2 A teljesítményelektronika eszközei 6.2.3 Mechanikus, pneumatikus stb. csatalakoztatók

6.3 Hírközlőcsatornák 6.3.1 Hagyományos vezetékes hírközlőcsatornák 6.3.2 Számítógépes hálózatok 6.3.3 Drótnélküli hírközlőcsatornák

7. Parancsadó és prezentációs eszközök 7.1 Parancsadó eszközök 7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.1.4 7.1.5

Nyomógombok Választókapcsolók Potencióméterek Botkormány (mesterkapcsoló) A számítógép billentyűzete és az egér

7.2 Prezentációs eszközök 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.2.5

Jelzőlámpák Hangjelzők Analóg kijelzők Digitális kijelzők A számítógép monitora

8. Vezérléstechnika 8.1 A vezérlés művelete 8.2 A vezérlések felosztása működési mód szerint 8.2.1 Programvezérlések (időterv és lefutó) 8.2.1 Követővezérlések 6 / 159


8.3 A vezérlések felosztása programozhatóság szerint 8.3.1 Huzalozott programozású vezérlések 8.3.2 Tárprogramozású vezérlések

8.4 A vezérlések felosztása műszaki megvalósítás szerint 8.4.1 Elektromos megvalósítású rendszerek 8.4.2 Hidraulikus, pneumetikus stb. megvalósítású rendszerek 8.4.3 Hibrid megvalósítású rendszerek

8.5 A vezérlési műveletek leírása 8.5.1 8.5.2 8.5.3 8.5.4 8.5.5 8.5.6

Programlefutási terv (DIN 66 001) Grafcet (IEC 1131-3 és IEC 848) Logikai szimbólumok (Function Block Diagram FBD) Relés szimbólumok – Létra diagram (Ladder LADD - Kontaktplan KOP) Utasításlista - Instrukciós lista (Statement List SL – Anweisungsliste AWL) Struktruált szöveg (programnyelvek BASIC, Pascal, C)

7 / 159


9. Szabályozástechnika (önműködő szabályozás) 9.1 A szabályozás művelete 9.1.1 9.1.2 9.1.3 9.1.4

A szabályozási kör A szabályozó – regulátor (Controller) A szabályzott szakasz (folyamat) A szabályozóberendezés

9.2 A szabályozások felosztása 9.2.1 Értéktartó szabályozás 9.2.2 Követőszabályozás 9.2.3 Összetett szabályozás

9.3 A szabályozási körökkel szemben támasztott minőségi követelmények 9.3.1 9.3.2 9.3.3 9.3.4

Stabilitás Pontosság Sebesség (dinamika) Az optimum fogalma

9.4 A szabályozási körök dinamikus vizsgálata 9.4.1 9.4.2 9.4.3 9.4.4 9.4.5 9.4.6 9.4.7

A szabályozási körök matematikai leírása A Laplace transzformáció A szabályozási körök leképzése struktuális blokk diagramokkal A szabályozási körök vizsgálata próbafüggvényekkel (tű, egységugrás, harmonikus) A Bode diagramok Stabilitás és minőségvizsgálat a Bode diagramok alkalmazásával A P, PI, PD és a PID szabályozó

9.5 A szabályozási körök szimulálása PC számítógépen 9.5.1 Az ELECTRONICS WORKBENCH programcsomag segítségével 9.5.2 A MatLAB programcsomag segítségével

9.6 A szabályozási körök emulációja műveleti erősítőkkel 9.6.1 9.6.2 9.6.3 9.6.4 9.6.5 9.6.6 9.6.7 9.6.8

Az analógia fogalma (analóg számítógépek) A szabályozók kivitelezése műveleti erősítőkkel A szabályozott szakasz (folyamat) leképzése műveleti erősítőkkel Az USB 1208LS adatgyűjtő (data logger és osszciloszkóp) eszköz (Iskola 1 drb) A P, PI, PD és a PID szabályozó átmeneti függvényének a felvétele A szabályzott szakasz (folyamat) átmeneti függvényének a felvétele A teljes szabályozási kör átmeneti függvényének a felvétele A szabályozó beállítása (optimalizálása)

8 / 159


10. A jelfeldolgozás (Signal Processing) 9.1 A jelfeldolgozás hagyományos eszközei 10.1.1 Relés technika 10.1.2 Fix huzalozású elektronika 10.1.3 Pneumatika

10.2 Jelfeldolgozás mikrovezérlőkkel 10.2.1 10.2.2 10.2.3 10.2.4 10.2.5 10.2.6 10.2.7 10.2.8 10.2.9

A mikroprocesszor fogalma A mikroszámítógép fogalma A mikrovezérlő (mikrokontroller) fogalma A mikrovezérlők perifériái A mikrovezérlők programozása Az AT89S8252 mikrovezérlő bemutatása (Iskola 5 drb.) Az AT89S8252 mikrovezérlő programozása (KeilC vagy BASCOM) A PIC (P16F877A és 18F4550) mikrovezérlők bemutatása (Iskola 1 drb.) A PIC mikrovezérlők programozása (mikroBASIC vagy mikroC)

10.3 Jelfeldolgozás PLC-ék segítségével 10.3.1 10.3.2 10.3.3 10.3.4 10.3.5 10.3.6 10.3.7 10.3.8

A szabadon programozható automata Központi egység Ki-bemenőegységek A PLC-ék programozása C-Control típusjelzésű PLC bemutatása (Iskola 5 drb) C-Control PLC programozása (Grafikus FBD és CCBASIC) A Siemens LOGO típusjelzésű PLC bemutatása (Iskola 5 drb) A Siemens LOGO programozása (FBD, LADD)

10.4 A PC-ék alkalmazása az irányítástechnikában 10.4.1 10.4.2 10.4.3 10.4.4 10.4.5 10.4.6 10.4.7

PC alapú folyamatirányítás (PC-based Control) A PC-ék a felülbírálás, irányítás, adatgyűjtés és feldolgozás (SCADA) szerepében PC alapú HMI (az ember és az irányítástechnikai rendszer kapcsolata) Irányítástehnikai feladatok programozása konvencionális programnyelvekkel Irányítástehnikai feladatok tervezése szakmaorientált fejlesztőkörnyzetekkel Az Internet alkalmazása az irányítástechnikában A smart eszközök (mobil telefon) alkalmazása az irányítástechnikában

9 / 159


11. Példák az irányítástechnikai rendszerekre 11.1 Példák az elektroenergetika területéről 11.1.1 Az elektroenergetikai rendszer irányítása és felügyelete 11.1.2 A szinkron generátor autómatikus szinkronizálása a hálózattal 11.1.3 A szinkron generátor szabályozása

10.2 Villamos hajtások autómatizálása 11.2.1 Villamos hajtások vezérlése 11.2.2 Az egyenáramú motor fordulatszámszabályozása 11.2.3 Az aszinkron motor fordulatszámszabályozása

10.3 Gépek autómatizálása 11.3.1 Szerszámgépek autómatizálása 11.3.2 Produkciós vonalak autómatizálása (példa – kábelgyártóvonal) 11.3.3 Ipari robotok

10.4 Ipari folyamatok autómatizálása 11.4.1 Példa – Vegyipar 11.4.2 Példa – Tejüzem vagy üdítő keverő és töltő 11.4.3 Példa – Cukorcentrifúga

10.5 Ipari hűtőberendezések autómatizálása 11.5.1 Példa – Szárító, füstölő és hűtőkamra autómatizálása 11.5.2 Irodaházak központi klimatizálása

11.6 Az Iskolában megvalósított példák 11.6.1 11.6.2 11.6.3 11.6.4 11.6.5 11.6.6 11.6.7 11.6.8 11.6.9

Alarmrendszer Pater Noster lift Mosógépvezérlés Bárpult Motorreverzálás Szemafor Az erőnlét mérése Hőmérsékletszabályozás A szabályozási körök emulációja műveleti erősítőkkel

10 / 159


1. Bevezető 1.1 Anyag, energia és információ Az emberiség szükségleteit három nagy csoportba oszhatjuk: ANYAGOK ENERGIA INFORMÁCIÓ

mértékegysége a

kilogram Joule bit

Az ember e három kategória ügyes felhasználásával igyekezett (és igyekszik ma is) az életét valamint munkáját könnyebbé és hatékonyabbá tenni. Tehát ez a tevékenység hasznos feladatokat old meg, ami legfőkép az anyagi javak termelésének különböző területein valósul meg. A termelés folyamán az anyagot mozgatni kell, valamint átalakítani egyik formából a másikba. Ugyanez a megállapítás vonatkozik az energiára is (szállítás-mozgatás és átalakítás). Az információkat is mozgatjuk (telefonálás, programletöltés) és utja során többször is átalakítjuk. Például analóg formából digitálisba stb. Az ezzel kapcsolatos fejlődési folymatot néhány történelmi szakasszal szokásos jellemezni: 1.2 Történelmi visszatekintés A mechanizmusok korszaka. Az ember a rendelkezésére álló anyagokból megalkotta a munkaeszközöket (kézi szerszámok, közlekedési eszközök, emelő és egyéb mechanizmusok). Eleinte ezeknek az eszközöknek a müködtetésére az ember a saját energiáját, valamint állati és ritkábban más a természetben fellelhető (szél, viz) energiát használt. Mindez az ókort és a középkort jellemezte. Az ember csodálatos mechanizmusokat alkotott, például a rugóerővel(energiával) müködő toronyórákat. Sokan ezt az időszakot a mechanizmusok korszakának nevezik. Túl sokáig tartott ahhoz, hogy ráilljen a forradalom jelző. Az ipari forradalom és az energia. Az okos mechanizmusok felhasználásával az ember óriási épületeket, hidakat, csatornákat, vitorláshajókat stb. tudott alkotni, de energiaforrásként főleg a saját, és az állatok energiáját használata. Itt – ott sikerült a szél és a víz energiáját is kihasználnia. A bőségesen rendelkezésre álló hőenergiát azonban legfeljebb csak főzésre tudta felhasználni. A fordulópontot a gőzgép felfedezése jelentette. Ezzel megoldódott a hőenergia mechanikai energiává történő átalakítása. A gőzgép felfedezése és mind szélesebbkörű felhasználása lassan az energiagondokat is megoldotta. Az így termelt energia azonban csak ott ált rendelkezésére, ahol gőzgép is volt. Minden üzemet pl. malmot, vagy cséplőgépet stb, egy gőzgép üzemeltetett. Mivel az energiára az üzem több helyén is szükség volt, ezért a gőzép forgó mozgását, különböző mechanizmusok (szíjáttételek, fogaskerékpárok, tengelyek-főtengely stb.) felhasználásával vezették szét. Ez nagy veszteségekkel, zajjal és balestekkel járt (elkapta a gépszíj). Az elektrotechnika forradalma. A 19-edik század végét már az elektrotechnika térhódítása jellemezte. Az ember megalkotta a mechanikai energiát villamos energiáva alakító generátorokat, és fordítva a villamos energiát mechanikai energiává alakító motorokat. A villamos energia széleskörű elterjedése azonban mégsem ennek a ténynek köszönhető. A villamos energia egyszerű szállítása és felhasználása az, ami lehetővé tette az energiához való könnyü és gyors hozzáférést és döntő jelentőséggel bírt a villamos energia elterjedésében. Sokan a villamos energiát nemesített energiának nevezik. Újabban azonban a villamos energia használatára már nem buzdítják az embereket. Inkább a takarékosságot és az alternativ energiákat és energiaforrásokat helyezik előtérbe. Az irányítástechnika (mások szerint informatika) forradalma. Az immáron külsö energiával müködő szerkezetek, gépek, berendezések stb. az emberiség sok gondját megoldották, de az állandó szemmeltartásuk és kezelésük továbbra is sok gondot és munkát követelt. Ez a munka nehéznek ugyan nem mondható, de egyhangúnak és unalmasnak annál inkább. A további igények tehát a gépek, berendezések (szakszerűbben műszaki folyamatok) irányítására összpontosultak. 11 / 159


Ahhoz, hogy irányítani tudjunk információkra van szükségünk. Természetesen ez nem elég. Az információk alapján döntéseket is kell hoznunk és be is kell tudnunk avatkozni a folyamatba, hogy az, az elvárásainknak megfelelően működjön. Ha mindez emberi beavatkozás nélkül is megvalósítható a rendszert joggal nevezhetjük önműködőnek (automatikusnak). 1.3

A korszerű irányítástechnika

A műszaki folyamatok irányítása sokféleképpen és különböző műszaki eszközök felhasználásval is megvalósítható. James Watt (1788) saját gőzgépének fordulatszámszabályozását tisztán mechanikai elemek felhasználásval oldotta meg. Mi villamossági szakemberek az elektrotechnikai eszközöket részesítenénk előnyben, a gépészek például a sűrített levegőt stb. És mi a trend? Egy korszerű irányítástechnikai rendszer több hálózatba kötött, számítógép, mikrovezérlő, intelligens mérőműszer és végrehajtószerv összeségét jelenti. Ezek az eszközök egymást közt, de az emerrel is szoros és szerteágazó kommunikációs kapcsolatban állank. Az irányítástechnikai rendszert (irányított folyamat plusz az irányítóberendezés) ugyan zárt rendszernek kell elképzelni, amelyekre legfeljebb külső zavarok hathatnak, ám egy adott rendszer elemei igen nagy távolságban is lehetnek egymástól. Gondoljunk például az űrhajókra, de akár a saját otthonunkra is, ahol például a központi fűtést, világítást, alarmrendszert stb. mobil telefonról vagy az Internetről is tudjuk megfigyelni és irányítani. Azonban ami a jövőt illeti egyáltalán nem bisztos, hogy irányítástechikai feladatok ugyanezekkel a műszaki eszközökkel lesznek megoldva. Létezik azonban az irányítás(techniká)nak olyan, magas apsztrakciós szintű, elméleti tanulmányozása is, ahol a fizikai megvalósítás teljesen érdektelen. Az ilyen elméleti szemléletmód ezért időtálló(bb). Az elméleti szemléletmód főleg az irányítási rendszerek matematikai leírásában nyilvánul meg. Azonban ezen a téren is talákozhatunk újdonságokkal (Fuzzy logika, neuró-hálózatok stb.). 1.4

Az irányítástechnika jelentősége

Ma már az irányítástechnika jelenlétét szinte az élet minden területén tapasztaljuk. A háztartásokban (mikrohullámú sütő, mosógép stb), az elektroenergetikában, az iparban (automatikus működésű gépek és gépsorok), közlekedésban (autó, repülő), űrkutatásban, orvostudományban. Sokan azt állitják hogy az emberiség anyaggal és energiával való ellátottsága nagyjából kielégítődött. Az információval azonban lehet, hogy más a helyzet. Mig az előbbi kettővel talán betelik az ember, az információval valószinűleg soha. Még nem is olyan rég információs (vagy irányítástechnikai?) forradalomról beszéltünk, ami már több mint fél évszázada tart. Valójában ez már nem is forradalom, hanem egy hosszan tartó, és ki tudja még meddig nyúló állandó folyamat. Amikor a folyamat fogalmához az anyagot, energiát és az információt társítjuk, kizárólag fizikai jellegű, és azon belül is az ember alkotta műszaki rendszerekre gondolunk. Léteznek még a lélekben, társadalomban, gazdaságban stb. végbemenő folyamatok is, amelyek talán nem olyan pontossággal és biztonsággal, de ugyanúgy irányithatók. Gyakran elvi hasonlóságok is mutatkoznak és sokan próbálják a kettőt közös elméletbe foglalni. Mi itt az irányítástechnika alatt csak műszaki rendszereket értünk. Középiskolai szinten és gyakorló műszaki emberként, a jobb megérthetőség kedvéért, élhetünk ugyan összehasonlításokkal, de óvatosnak kell lennünk, mert gyakran hibás megállapításokra juthatunk. Az irányítástechnika egy multidiszciplináris szakma, ezért műveléséhez más szakmákban és tudományokban is jártasnak kell lennünk, mivel magán az irányítóberendezésen kívül a folyamatot is ismernünk kell. A mérnöki tevékenységek közül szinte egyik sem kötődik annyira az informatikához, számítástechnikához és a matematikához mint az irányítástechnika. Ezt a bevezető ”kisesszét” talán az anyanyelvi érettségi dolgozatotokban folytathatjátok, csak ott a három bevezető fogalom elé (anyag, energia és információ) tegyétek oda a többit is, mint amilyen az ember, lélek, társadalom stb. 12 / 159


2. Az irányitástechnika alapfogalmai 2.1 Folyamatirányítás Az irányitástechnika feladata a természetben előforduló, de inkább ember által létrehozott műszaki folyamatok (berendezések, gépek stb.) irányítása (vezérlése és/vagy szabályozása), lehetőleg úgy, hogy az az elvárásainknak megfelelően működjön és eközben minnél kevesebb emberi beavatkozást igényeljen. Gyakran ezt a témakört folyamatirányítás-nak is nevezzük.

2.2 A folyamat A folyamat fizikai valóságnak egy körülhatárolt részét képezi, ahol anyag és energia (újabban az információt is ideemlítik) van jelen. Ebben a körülhatárolt rendszerben jelenlévő anyagok és energiafajták egymással kölcsönhatásban vannak, mozoghatnak és átalakulhatnak. A folyamat képezi az irányítás tárgyát. Az irányított folyamat helyett használjuk még az irányított objektum , irányított berendezés, irányított gép, irányított szakasz stb kifejezéseket is. A mellékelt képek a Siemens-től származnak. 2.2.1 Példák az irányított folyamatokra (irányított objektumokra, berendezésekre): - Az elektroenergetikai rendszer (villamos energia termelése és szállítása). - Egy gyárban az anyagfolyamok és anyagátalakítások (cukorgyár. tejüzem, vegyi üzem stb.).

- Papírgyártógép, nyomdagép, szerszámgépek, megmukálóközpont, robot - Vízellátórendszer (kitermelés, kondicionálás, szállítás), szennyvíztisztító - Közlekedési eszközök. Egy mai autóban több mikrokontroller irányítja a különböző eszközök működését (fékrendszer, üzemanyagadagolás, navigáció ....), hogy a nagyobb 13 / 159


közlekedési eszközöket ne is említsük (mozdonyok, hajók, repülőgépek, cirkálórakéták) - A házatartási gépek és készülékek (mosógép, mikrohullámú sütő stb.) - Az információk irányítása (telefonközpont, Internet). Itt nem arra gondolunk, hogy információnk van az anyag és az energia mennyiségéről és minőségéről, hanem arra hogy az információ mozgását irányítjuk. Itt az információ tartalma nem lényeges (a telefonközpontot nem érdekli, hogy az emberek miről beszélnek).

2.3 Irányíthatóság és megfigyelhetőség Ahhoz, hogy egy folyamatot irányítani tudjunk, fontos hogy a rendszernek legyenek beavatkozásra alkalmas pontjai. Ha ilyenek nincsenek a folyamat irányíthatatlan. Beavatkoznunk pedig úgy kell, hogy a folyamat úgy működjön, ahogy azt elterveztük illetve elvárjuk. Tehát szükséges, hogy lássuk is a beavatkozás eredményeit. Erre mondjuk azt, hogy a rendszernek megfigyelhetőnek is kell hogy legyen. Az irányíthatóságot és a megfigyelhetőséget az elmélet matematikai alapokon fogalmazza meg, amihez nekünk sajnos nincsennek meg a kellő alapjaink. A diákok irányíthatók és meg is szabad őket figyelni A FOLYAMAT ?

2.4 Aktorok – Aktuátorok (beavatkozó szervek) Az aktorok közvetlenül beavatkoznak a folyamat anyag és energia, mozgatási és átalakítási viszonyaiba. Ezt gyakran nagy energiabevitel (ill. anyag) vagy átalakítás utján valósítják meg, de létezhetnek a folyamatnak olyan pontjai is, ahol alacsonyabb szintű beavatkozás is nagy változásokat idéz elő. Használjuk még a végrehajtó szerv kifejezést is. Pontosabb értelmezésben a beavatkozó szervek a beavatkozási lánc első elemét képezik míg a végrehajtó szervek a végelemeit. Az aktorok kifejezés pedig a kettő, együttvéve. A beavatkozó és a végrehajtó szervek (aktorok) lehetnek a még nem irányított folyamat részei is, de gyakran éppen az automatikus irányítás miatt kerülnek beépítésre. A későbbiekben az aktorokat egy külön fejezetben tárgyaljuk. Példák: Motorok (elektro, belső égésű). Pneumatikus és hidraulikus munkahengerek. Elektromágneses / pneumatikus / hidraulikus működtetésű ON/OFF és szabályozószelepek. Mágneskapcsolók (kontaktorok). Hőfejlesztők (elektromos, gáz) stb. Ezeknek az eszközöknek egy része már korábban, más tantárgyakból is tanulmányozásra kerültek. Aktor (Aktuátor) = beavatkozó szerv + végrehajtó szerv

2.5 Szenzorok (érzékelők) Az információkat a folyamatból szenzorok (érzékelők) révén nyerjük. A szenzorok működése mindig valamilyen fizikai jelenségen alapszik, azaz a szenzor valamilyen tulajdonsága függ a mért fizikai mennyiségtöl (például a szenzor elektromos ellenállása függ a mért hőmérséklettől). Általában a szenzorokból nyert jelet mérőátalakító (jelformáló elektrónika) segítségével módosítjuk. Ez a módosítás magába foglalja a jel felerősítését, linearizálását és átalakítását valamilyen szabványos jellé (pl. 4-20mA). Jó ha a mérőátalakító a szenzor közelében van elhelyezve, mivel a szenzorból nyert jel energiaszintje alacsony és ezért érzékeny a zavarokra. A későbbiekben a szenzorokat és a mérőátalakítókat részletesebben is tárgyaljuk a következő sorrend szerint: Hőmérsékletérzékelők. Az elmozdulás, út és a pozíció érzékelése. A sebesség és a fordulatszám érzékelése. Az erő mérésére szolgáló érzékelők. A nyomás érzékelése és mérése. A folyadékszint mérése. Az áramlás mérése. A fény érzékelése (fotometria). A vegyi jellemzők mérése (pH érték, koncentráció). A fentiekből látható, hogy a felsoroltak mind nemelektromos mennyiségek. Ezt a témakört gyakran külön tantárgy (szakma) keretében tárgyalják: Nemelektromos mennyiségek mérése elektromos úton. A villamos mennyiségek mérése is fontos (áram feszültség, elektromos teljesítmény, mágneses térerősség stb.), ám azokat már nem kell elektromos jellé alakítani. Esetleg 14 / 159


szükséges lehet őket módosítani. A villamos mennyiségek mérésével külön nem foglalkozunk (áramtranszformátorok, sönt stb.) mivel villamos mérésekből már részletes tanulmányozásra kerültek.

2.6 A jelfeldolgozás A jelfeldolgozóban futnak össze a szenzorok révén a folyamatból nyert információk, valamint a kezelőtöl (ember) érkező parancsok. A jelfeldolgozó ezeket az információkat valamilyen törvényszerűség alapján feldolgozza, azaz kiszámolja a kimenő jelek értékeit. A kimenő jelek, bizonyos csatlakoztatók (interfészek) igénybevételével, a beavatkozószerveket hozzák megfelelő működésbe. A jelek (információk) feldolgozása általában valamilyen matematikai algoritmus alapján történik, még akkor is ha a jelfeldolgozásra nem számítógépet használunk. Jelfeldolgozásra használhatunk reléket, logikai és analóg áramköröket, pneumatikus szelepeket sőt még mechanikai elemeket is, mint például az emelő vagy a fogaskerék. Manapság a jelfeldolgozásra leginkább mikroprocesszorokat és mikrovezérlőket (mikrokontroller) használunk, esetleg egy vagy több komplett számítógépet mint amilyen a PC. A számítógépek és a mikrokontrollerek használatánál a szükséges matematikai algoritmust programozás révén valósítjuk meg. A jelfeldolgozás (illetve az irányítástechnika) egyik legelterjedtebb mai eszköze a úgynevezett szabadon programozható vezérlő (automata), más néven PLC (Programmable Logic Controlers). ' TERMOSZTÁT # hurok ValodiT1 = 5 * T1 - 250 if ValodiT1 < 250 then K1 = ON if ValodiT1 > 280 then K1 = OFF goto hurok

2.7 Az ember és az irányítástechnikai rendszer kapcsolata Még akkor is ha egy rendszert teljesen automatikusan irányítunk szükség lehet, és van is, egyfajta kapcsolatteremtésre az ember és a gép (pontosabban irányítástechnikai rendszer) között. Ezt a kapcsolatot a mai szaknyelv HMI-nek (Human Machine Interface) nevezi. A jelfeldolgozó az embertől is fogad utasításokat, amit parancsadásnak nevezünk. Fordítva pedig 15 / 159


jelfeldolgozó az ember számára egyfajta prezentációval (bemutatással) szolgál. A parancsadásra használhatunk nyomógombokat, kapcsolókat, potenciómétereket, de akár a számítógép billentyűzetét, vagy az egeret is. A folyamatot közvetlenül saját érzékszerveink utján is megfigyelhetjük, de ettől gyakran hasznosabb lehet a prezentációs eszközök használata. Ilyenek a jelzőlámpák, hangjelzők (sziréna) a mutatós vagy digitális kijelzők, regisztrációs műszerek, de akár a számítógép monitora is. Ma már a parancsadás és a prezentáció fő eszköze a számítógép, illetve a billentyűzet, egér és a monitor. A rendszer fölé rendelt számítógép ezen kivül még más feladatokat is elláthat. Például a folyamatból időbeni sorrendben összegyűjti az adatokat, amit a későbbiekben elemezhetünk. Az ilyen feladatokat ellátó rendszert (főleg szoftverre gondolunk) a mai szaknyelv SCADA-nak (Supervisory Control And Data Acquisition) nevezi.

2.8 Csatlakoztatók (interfész) A szenzorok, aktorok, jelfeldolgozó, parancsadó és a prezentációs eszközök legtöbbször nem köthetők közvetlenül össze. Az összekötések és összekötéseket lehetővé tevő összeillesztések megvalósítására szolgáló eszközöket nevezzük interfészeknek. Az interfészek alatt tehát érthetjük az irányítóberendezés elemeit összekötő hírközlőcsatornákat, de méginkább a hírközlőcsatornák végein található jelátalakítókat és illesztőket. - Az interfészek végzik a jelek egyik formából a másikba való átalakítását. Példul A/D (analóg/digitális) vagy fordítva D/A átalakító. - A jelszintek és energiaszintek összehangolását. Például egy mikrovezérlő portja (kimenete) csak 10mA árammal terhelhető. Hogy ezzel egy motrot be tudjunk kapcsolni a mikrovezérlő (10mA) először egy tranzisztort kapcsol be. A tranzisztor (200mA) egy relét. A relé (6A) egy mágneskapcsolót (kontaktort). Végül a kontaktor (pl. 100A) a motrot indítja. - Az elektromos jelekhez hasonlóan, ahol a feszültség áram és energiaszinteket kell összehangolni a más természetü jeleket is össze kell illeszteni. Például a pneumetikus (sűrített levegő) jelek nyomásszintjeit (szűkítőszelepek stb.), vagy a pneumatikus jelet elektromos jellé kell alakítani (illetve fordítva). - A galvanikus elválasztásra szolgáló (elválasztótranszformátor, optokoppler) eszközöket is az interfészekhez sorolhatjuk. Ezeknek főleg érintésvédelmi és más védelmi (a drága eszközök szétválasztása, robbanásveszélyes környezet stb.) mechanizmusok kialakításánál van jelentőségük. Az interfészek fizikailag gyakran nem különíthetők el a szenzoroktól, aktoroktól vagy a jelfeldolgozóktól. Az irányítástechnikával foglalkozó irodalomban gyakran nem is kerülnek külön feldolgozásra. Például amikor a szenzorokat tárgyalják, a hozzátartozó jelformáló elektronika is akkor van megemlítve. Mi azonban az interfészek tárgyalásával és megvalósításával külön fejezetben is foglalkozunk. Az interfész elemek jelentős része (pl. A/D átalakítók), más tantárgyakban, mint például a villanyszerelés, elektronika, digitális elektronika, teljesítményelektronika, villamos hajtások stb. már korábban is tanulmányozásra kerültek. Összekötések + összeillesztések

2.9 Az irányítóberendezés Az irányítóberendezés magába foglalja a beavatkozó szerveket (aktor-aktuátor), érzékelőket (szenzorokat), az irányítás agyát a jelfeldolgozót, valamint a köztük elhelyezkedő csatlakoztatókat (interfész). Ide sorolhatjuk még az ember és az irányitástechnikai rendszer kapcsolatát megvalósító, parancsadó és prezentációs (HMI) eszközöket is. Azt is mondhatjuk hogy az irányitóberendezés mindent magába foglal, amit a folyamat irányításának a megvalósítására építettek a rendszerbe. Fontos észrevenni, hogy az irányítóberendezés elemeinek a fentiekben tárgyalt megnevezése nem jelent okvetlenül fizikailag is elkülöníthető egységeket. Például egy mikrovezérlő, amely elsődlegesen a jelfeldolgozás elvégzésére hivatott, interfészeket is tartalmazhat (A/D, D/A átalakító), IRÁNYÍTÓBERENDEZÉS = Aktor+Szenzor+Jelfeldolgozó+Interfész Minden a folyamaton kívül!

16 / 159


sőt valamelyik portlábára még azt is rámondhatjuk, hogy az egy végrehajtó szerv, mivel egy LED diódát közvetlenül kapcsolgat.

2.10 Az irányítástechnikai rendszer (vagy csak rendszer) A irányítástechnikai rendszer egy komplex, de mondhatnánk azt is hogy egy gyűjtőfogalom. Az előbb említett irányítóberendezésen (aktor, szenzor, jelfeldolgozó, interfész) kívül, magát a folyamatot is magába foglalja. Más szóval mindnent magába foglal amit körülhatároltunk, tehát egy (zárt) rendszert képez. Ami ezen a zárt rendszeren kívül esik, és ha netán mégis hatással volna a rendszerre, akkor azt zavarnak nevezzük. RENDSZER = Irányítóberendezés + Folyamat Minden!!!

2.10.1 Példa egy irányítástechnikai rendszerre A képen példaként egy kisebb vízellátó rendszert láthatunk. A pumpák, két (vagy több) kútból szivattyúzzák a vizet (a valóságban búvárpumpákat használnak) egy közös tartályba (hidroglóbusz). A glóbusz magassabban helyezkedik el (pl. 20m) és ezzel biztosítja az állandó nyomást a fogyasztók számára. Ha a tartály megtelt egyik pumpa sem működik, közepes szintnél csak az egyik, alacsonynál pedig mind a kettő. Ha viszont a kútban túl alacsony a vízszint a megfelelő szivattyút ki kell kapcsolni, nehogy „szárazon” dolgozzon. A kimenő csővezetékre egy elektromotoros szelep van szerelve, hogy szükség esetén lezárhassa a tartályt. A szenzorok (mérőátalakítók) ellenőrzik a vízszint magasságát a tartályban, a víznyomást és az áramlást. Az áramlásból a fogyasztás könnyen számolható. A jelek egy PLC vezérlőben futnak össze. A PLC a jelfeldolgozáson kívül interfész

feladatokat is ellát (pl. az analóg jeleket digitálissá alakítja), kommunikálhat egy PC számítógéppel és közvetlenül kapcsolja a motorindító mágneskapcsolókat (kontaktorokat). A PC számítógépen egy speciálisan erre a célra íródott követő, ellenőrző és adatgyűjtő program fut (SCADA). A PC számítógépet magában a PLC-ben futó program megírására is használhatjuk. Természetesen ezt csak egyszer, az üzembehelyezés előtt kell megírni, és a forráskódot nem kell okvetlenül a megrendelő (beruházó és üzemeltető) rendelkezésére bocsátani. A rendszer tovább bővíthető, például mobiltelefonos távirányítással, Internetes távmegfigyeléssel stb.

17 / 159


Ebből, és az előzőekben elmondottakból észrevehetjük, hogy az irányítástechnika egy multidiszciplináris, sokféle technikát és tudományt magába foglaló szakma. Az informatikán, számítástechnikán és elektrotechnikán kívül minden más műszaki dolog is megjelenhet, mint például a mechanika, termodinamika, valamint a termelési, technológiai és más vegyi folyamatok.

2.11 A zavarok Bármilyen ügyesen is sikerül a folyamatot körülhatárolnunk, az ezen kivül eső környezet hatása sem elhanyagolható. Azt mondjuk, hogy a folyamatra zavarok is hatnak. Például a külső hőmérséklet ingadozása. Az irányítóberendezést úgy kell megtervezni, hogy minnél ellenállóbb legyen a külső zavarokra. Nagyobb mértékű zavarok esetén a folyamat irányítási módját is meg kell változtatni, például a folyamatot (vagy egy részét) le kell állítani. A zárt hurkú szabályozásnak pedig, éppen az az egyik alapfeladata, hogy a zavaró körülmények ellenére is állandó értéken tartsa a szabályozott jellemzőt. Például a gőzgép fordulatszámát állandó értéken kell tartani, függetlenül attól, hogy a terhelés állandóan és előre nem látható módon ingadozik. Ez motiválta már James Watt-ot is, amikor 1788-ban a gőzgépéhez centrifugális szabályozót is szerkesztett. A imént említett vízellátó rendszer esetében a legfőbb zavaró körülmény a vízfogyasztás ingadozása. A vízfogyasztás kiszámíthatatlan módon változik (a fogyasztóktól függ). Ezt sztohasztikus zavarnak nevezzük. Amikor a zavar alakulása előlátható, illetve valamilyen matematikai törvényszerűség szerint kiszámítható, akkor azt determinisztikus zavarnak nevezzük. Ezenkívül a zavarójelet vagy mérjük vagy nem. Ha lehetőség van a zavarójel mérésére, akkor azt kihasználhatjuk az irányítás optimálisabbá tételére. A vízellátó rendszer példánkban mérjük a kiáramló víz mennyiségét (áramlásmérő) és ezt a jelet bevezettük a jelfeldolgozóba (PLC vezérlőbe) is. Tehát nem szükséges, hogy bevárjuk a vízszint lecsökkenését a tartályban, hanem a vízadagolást (még egy kútszivattyú bekapcsolását) már a megnövekedett fogyasztás alapján is kezdeményezhetjük. Ezt a technikát zavarkompenzációnak, illetve a zavar előrevezetésének nevezik.

2.12 A hatáslánc (tömbvázlat és jelfolyamábra) Hatásláncokkal ábrázoljuk az információk (jelek) folyamirányát. A irányítástechnikai rendszert több funkcionális egységre bontjuk (pédául épp ebben a fejezetben felsoroltak alapján). Ezeket az egységeket blokkoknak vagy elemeknek nevezzük és téglalapokkal ábrázoljuk. A blokkokat a jeleknek megfelelően vonalakkal kötjük össze. Minden elemnek lehet egy (vagy több) bemenő és egy (vagy több) kimenőjele. A jelek irányát (jelfolyam) nyilakkal ábrázoljuk.

2.13 Önműködő és kézi irányítás (Auto – Manual Control) Egy irányítástechnikai rendszert akkor nevezzük önműködőnek (automatikusnak) ha az bizonyos ideig, emberi beavatkozás nélkül, valamint a zavaró körülmények ellenére is, az előírt szabályoknak megfelelően képes folyamatosan működni. Az emberi beavatkozás csak a folyamat elindítására és/esetleg megállítására korlátozódik. Ha a részfolyamatok elindítását, a beavatkozójelek korrigálását stb. az ember végzi (a folyamat szemmeltartásával az ember hozza meg a döntéseket és közvetlenül működteti a beavatkozószerveket) akkor kézi irányításról beszélünk. Sok esetben használunk félautomatikus vagy részben automatizált jelzőket is. Olyan rendszerek is vannak, amelyek automatikus működésűek ugyan, de az ember a folyamat megfigyelése alapján időnként közbeavatkozhat, azaz felülbírálhatja az irányítóberendezés által diktált folyamatot.

2.14 A folyamatok távirányítása A folyamatok (például egy hőerőmű, acélhengermű az elektroenergetikai rendszer, szennyvíztisztító) gyakran nagy kiterjedésűek, illetve veszélyes lehet a közelükben való tartózkodás. Ez azt jelenti, hogy a parancsadó és prezentációs eszközöket távolabbra kell helyezni. Hagyományos módon, a parancsadó és prezentációs eszközöket, hosszú vezetékekkel (drótokkal) is összeköthetjük a jelfeldolgozóval, illetve vezetéket használó számítógépes hálózatot is létesíthetünk. Ezeknek a „hatótávolsága” azonban 18 / 159


kicsi és nemigen haladhatja meg az egy kilómétert. A hosszabb távolságokra vivőfrekvenciás és modulációs adatátvitelre van szükség. Az elektromágneses hullámoknak pedig a terjedési közege inkább a levegő (vákum – éter), újabban az optikai kábel és kevésbé a rézdrót. Az „éterbe” sugározható elektromágneses vivőhullámokra és azoknak használatára nemzeti és nemzetközi szabályok vonatkoznak. Elektromágneses hullámok sugárzására csak bizonyos szubjektumok jogosultak és azért fizetniük kell az államnak. Ezeknek a szubjektumoknak a feladata (például a posta) a telekommunikációs infrastruktúra kiépítése, üzemeltetése és bérbeadása. Az irányítástechnikai szakemberek is, bizonyos díj ellenében, használhatják ezeket a hírközlőcsatornákat. Például a bérelt telefonvonal, SMS, GPRS, Internet.

2.15 Az irányítástechnikai elméleti tanulmányozása Az „irányítástechnikát” tisztán elméleti szinten is lehet tanulmányozni. Ekkor már a technika szó elhagyható mert az irányítás, vezérlés és szabályozás elméleti, ezzel egyidejűleg absztrakt (elvont), tanulmányozásánál, a műszaki megvalósítás formája teljesen érdektelen. Itt létezik egy rendszer amelynek vannak bemenő és kimenőjelei, valamint a rendszernek vannnak állapotjellemzői. Ezek mind puszta számok (nincs mértékegységük), de közöttük matematikai összefüggések vannak. Ezek az összefüggések főleg differenciális (lineáris és nemlineáris) egyenletekkel és mátrixokkal, valamint logikai „egyenletekkel” írhatók le. A folyamatok azonban időben zajlanak le, és ezzel összhangban az elmélet is szinte mindent az idő függvényében taglal. Az elméletben megjelenő puszta számok közül egyedül az időnek van „fizikai” mértékegysége. Ezért nem mondható tiszta matematikának. Az elméleti és absztrakt szemléletmódnak abban van a nagyszerűsége, hogy univerzálisan alkalmazható bármilyen műszaki megvalósítású irányítástechnikai rendszerre. Ha egyszer megtanultuk ötven év múlva is használhatjuk, annak ellenére, hogy közben a műszaki eszközök teljesen megváltoztak. Természetesen maga az elmélet ismerete a rendszerek valódi kivitelezéséhez messze nem elegendő. Magasabb matematikai ismeretek hiányában (illetve középiskolai szinten) az irányításelméletben való elmélyedés szinte reménytelen vállalkozás.

2.16 Más fogalmak használata Az irányítástechnikában használatos fogalmak nem mindig pontosan definiáltak. Az ezzel foglalkozó irodalomban sok árnyalatbeli (néha annál is több) különbségekkel találkozhatunk. Egyes kifejezésekre sok a szinoníma, és mindinkább használatosak az angolszász eredetű kifejezések és rövidítések is. A régebbi technológiákra néha lenéző szavakat használnak (drótnélküli telefon- mert a drótosat már nagyon megszoktuk). Mi összhangban a magyar nyelv gazdagságával, de azért a szövegkörnyezetnek (kontext) megfelelően, más kifejezéseket is használni fogunk. A jegyzetben gyakran fogjuk használni az angol szavakat és rövidítéseket. Ezeknek az ismerete mind fontosabb, különösen amikor katalógusokat lapozgatunk (akkor is ha azok magyar vagy szerb nyelven íródtak), vagy ha külömböző szoftvereket és fejlesztőkörnyzeteket használunk. Gyakran a Bemenet (be) - Kimenet (ki) helyett Input (in) - Output (out) fogjuk használni IGAZ / NEM IGAZ helyett TRUE / FALSE BEKAPCSOLVA / KIKAPCSOLVA helyett ON / OFF ALACSONY / MAGAS helyett LO / HIGH A teljes Boolle algebra kifejezéseit csak angolosan fogjuk használni ÉS -AND, VAGY – OR, NEM – NOT, NEMÉS – NAND, Kizárólagos VAGY – XOR stb. Érintkezők (kontaktusok) Munka (Záró) érintkező (kontaktus)

NO – Normal Open 19 / 159


Nyugvó (Nyitó) Váltó

érintkező (kontaktus) érintkező (kontaktus)

NC – Normal Closed CH – Changed

További kifejezések a jegyzetben Folyamatirányítás – Process Control Irányítás – Control and Regulate Szabályozás – Regulating (Closed lopp control) – német Regelung Vezérlés – Control (Open lopp control) - német Steuerung Visszacsatolás - Feed back – német Rückkopplung Visszajelzés - Feed back - német Rückmeldung Referens jel – Beállított érték(W) – SP (Set point) Szabályzott jellemző (X) – PV (Process value) Szabályozási kör – Control loop Szabályozó (Regulátor) – Conrtroller – német Regler Szabadonprogramozható vezérlő vagy autómata – PLC (Programmable Logic Controlers) Utasításlista – Statement list (STL) – német Anweisungsliste (AWL) Létra diagram - Ladder diagram (LAD) – német Kontaktplan (KOP) Funkcionális blok diagram - (FBD) Function Block Diagram – német Funktionsplan (FUP) Funkciótérképes leírás - Grafcet (IEC848) Programlefutási terv – Diagram – német Programmablaufplan (DIN66001) Rövid és egyértelmű szöveg - Pseudocode – német Kurzklartext Pozitív hőmérskleti együttható – PTC (Positive Temperature Coefitient) – német Kaltleiter Negatív hőmérskleti együttható – NTC (Negative Temperature Coefitient) – német Heißleiter Személyi számítógép – PC (Personal Computer) Központi feldolgozó egység – CPU (Central Processing Unit) Aritmetikai logikai egység – ALU (Arithmetic and Logic Unit)

Az embert és a gépet összekapcsoló interfész - HMI (Human Machine Interface) Felülbírálás ellenörzés és adatgyűjtés - SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) Idegen eredetű de már a köznyelvbe bekerült (elmagyarosodott) kifejezések Szoftver, hardver, csip, mikroprocesszor, szenzor, aktor, interfész, szekvencionális, kombinációs, program, memória, operand, operátor, hiszterézis, relé, kontaktor, Mikrovezérlő – Mikrokontroller - Microcontroller Tranziens - Átmeneti (állapot) Stacionáris - Állandósult (állapot)

20 / 159


3. Az irányítástechnikai rendszerek osztályozása és felosztása Mindannak ellenére, hogy manapság az informatika és a számítástechnika döntő jelentőségű az irányítástechnikában, az irányítástechnika illetve az automatizálás mégsem új szakma vagy tudományág. Az előbbiekben felvázolt fogalomrendszer azonban már az informatikával átszőtt irányítástechnikának felel meg, és szinte sugallja a számítástechnika (számítógépek, mikroprocesszorok) alkalmazását. A hagyományos eszközökkel (vagy mondjuk inkább elavult) megvalósított irányítástechnikai rendszerek leírásánál ezek a fogalmak összemosódnak, túl fontoskodónak és erőltetettnek tűnnek. Például ha relés vezérléseket alkalmazunk, ott a mágneskapcsoló, egy kicsit a végrehajtó szerv (főérintkezők), egy kicsit a jelfeldolgozó is (a segédérintkezők közvetlenül részt vesznek a jelfeldolgozásban) és egy kicsit a prezentáció (mutatja hogy bekapcsolt vagy kikapcsolt állapotban van) szerepkörét is ellátja. Egy hagyományos analóg mérőműszert (például voltméter) is bemutathatunk a bevezetőben felvázolt fogalomrendszerünkkel, de furcsának tűnhet a szenzor, jelfeldogozó, interfész és a prezentáció fogalma. Ettöl talán még jobb példa James Watt (1788) centrifugális szabályozója, amelyet a későbbiekben fogunk példaként bemutatni. Az irányítástechnikai rendszereket több féle kritérium szerint szokásos osztályozni és felosztani. Az egyik sztereotípikus mód az antonímák (ellentétek) használata. Az elméleti feldolgozás gyakran csak egy meghatározott osztályra vonatkozik. Például: Folyamatos és lineáris rendszerek, Mintavételezett lineáris rendszerek, Nemlineáris folyamatos rendszerek, Önműködő szabályozás, Vezérléstechnika, Adaptív szabályozás stb.

3.1 Vezérlés és szabályozás Az irányítás egy gyűjtőfogalom amely magába foglalja a vezérlés és a szabályozás műveletét is. A vezérlés művelete nyílt hatásláncokban zajlik le, míg a szabályozás hatáslánca zárt (visszacsatolás). A szabályozás műveletekor az bemenőjelet (referens jel) folyamatosan összehasonlítjuk a kimenőjellel és a különbség (hibajel) alapján beavatkozunk. Itt a jelfeldolgozót szabályozónak hívják. A vezérlés műveletekor is a szenzorok révén kaphatunk információkat a folyamat állapotáról, de itt nem végezünk folyamatos összehasonlítást. A folyamatból kapott visszajelzés legfeljebb feltétele lehet a következő programlépés végrehajtásának. A gyakorlatban a vezérléseknél a jelek inkább bináris ON/OFF jellegűek, míg a szabályozásnál inkább folyamatosak. A köznyelvben az irányítás, vezérlés és a szabályozás kifejezéseket nem mindig az előbbi megfontolások alapján használjuk. Az irányítástechnikában is néha eltérhetünk ezektől a szabályoktól. Például azt mondjuk, hogy a hőmérséklet (vagy fordulatszám stb.) szabályozására szolgáló potencióméter. Helyesebb lenne a hőmérséklet vezérlésére, vagy még „szakszerűbb” a hőmérséklet alapjelének (referens értékének) a beállítására szolgáló potencióméter. Az első egy kicsit furcsán hangzik, a második pedig túl hosszú. A Vezérléstechnika és a Szabályozástechnika (önműködő szabályozás) fejezetekben a vezérlés és a szabályozás műveletét, felosztását, elméleti alapjait és eszközeit részletesen fogjuk tárgyalni. Irányítás = Vezérlés + Szabályozás

21 / 159


3.2 Állandósult (stacionáris) és átmeneti (tranziens) állapot A folyamat, illetve az egész irányítástechnikai rendszer működését időben is vizsgálnunk kell. A rendszer az egyik állapotból a másikba nem pillantszerűen, hanem egy bizonyos idő után megy át, és ekkor átmeneti (tranziens) állapotban van. Miután a rendszer tartósan beállt az új helyzetébe (az állapotjellemzői tovább nem változnak) akkor állandósult (stacionáris) állapotban van. Vannak olyan rendszerek is ahol az átmentei időt pillantszerűnek tekinthetjük, illetve ha létezik is, nem kell vele foglalkozni. Ez főleg a nyílt hatásláncú vezérlésekre érvényes. A zárt húrkú szabályozásoknál azonban az átmenet jelenségek vizsgálata elkerülhetetlen feladat. Egyszerű példaként említhetnénk egy sorbakapcsolt kondenzátort C és ellenállást R, amelyre egyenfeszültséget E kapcsolunk. Az elektrotechnika alapjaiból kezdetben (és főleg) az állandósult állapotokkal foglalkoztunk. Tehát ha ezt a két elemet egyenfeszültségre kapcsoljuk nem folyik áram (a kondenzátor az egyenáramra szakadást jelent) és a kondezátor fel van töltődve (állandósult állapot). De mi történik a bekapcsolás pillanatában? Azt tapasztaljuk, hogy bekapcsoláskor egy bizonyos nagyságú áram folyik ami i(t) = (E/R) e –t/T T=RC –t/T folyamatosan csökken, a kondenzátor pedig szép lassan uC(t) = E (1 – e ) feltöltődik. Egzakt módon, már ezt a legegyszerűbb problémát ha t = 0 i = E/R, uC = 0 is csak differenciálegyenlet felírásával és megoldásával ha t   i = 0, uC = E oldhatjuk meg. Hasonló módon viselkedik egy rugó és egy tömeg együttese, de egy villanymotor is (még fel nem fut), vagy egy vegyi folyamat.

3.3 Stabilis és nem stabilis állapot Ha a rendszer sikeresen átjut az egyik állapotból (ez lehet a rendszer bármelyik állapota) a másikba, és utána tartósan ott is marad, akkor működése stabilis. Ha egy rendszernek több állapotjellemzője van akkor a stabilitási kritériumot mindegyikre külön-külön kell alkalmazni, illetve a rendszer nem stabil, ha akár csak egy állapotjellemzője nem áll be a stabil állapotba. A stabilitás fogalmát, szabadabban is lehet értelmezni, illetve az átmeneti jelenségek finomabb minőségi kritériumok alapján is elemezhetők. A képen feltüntettünk néhány lehetséges átmenet idődiagramját. Ezen átmenetek között minőségi különbségeket észlelhetünk. Az első képen a megfigyelt állapotjellemző (lehet kimenet is) bizonyos átdobással jut el az új állapotba.

A második képen „túllő” a célon és csak néhány lengedezés után áll be az új stabil helyzetbe. A harmadik asszimtótikusan közelíti meg a célt. A negyedik képen ezek a lengedezések nem csillapodnak, hanem mind jobban növekednek, ez már teljesen labilis állapot. Az sem mindegy, hogy az új stabil állapotot milyen gyorsan közelítjük meg. Ebből az is kiviláglik hogy érdemes bevezetni az optimum fogalmát is. Van amikor az felel meg hogy az új stabil állapotba gyorsan eljussunk. Az sem baj ha eközben egy kicsit túllövünk a célon. Ez azonban egy robotkarnak nem biztos hogy megfelel, mert az új helyzet elfoglalásakor összeütközhet a tárggyal (pl. fellöki a poharat, amit meg szeretett volna fogni).

22 / 159


3.4 Lineáris és nemlineáris rendszerek Ha egy irányítástechnikai elem kimenete állandósult állapotban egyenesen arányos a bemenőjellel akkor az elem lineáris. Ha egy rendszer csak ilyen elemeket tartalmaz akkor egészében is lineáris. A lineáris rendszereket lineáris (állandó eggyütthatójú) differenciálegyenletekkel lehet leírni. A lineáris rendszerekre érvényes a szuperpozíció elve. A valódi rendszerek nem tekinthetők mindig lineárisnak. Különböző nemlinearitásokat tartalmazhatnak, amelyek közül néhányat tudatosan építünk be a rendszerbe, például annak érdekében hogy a rendszer egyes elemeit megvédjük a túlzott igénybevételtől. A jelfeldolgozó hiába dönti el (számolja ki), hogy a tervezett cél elérésére, szinte végtelen nagy energiát igénylő beavatkozásra van szükség. A végrehajtószerv ezt a parancsot csak olyan szinten fogja elvégezni amilyen mértékben a „teljesítménye” megengedi. A reális rendszerek csak bizonyos határok között tekinthetők lineárisnak. A képen néhány tipikus nemlinearitást is ábrázoltunk. A bemenő (Input) és kimenőjelet (Output) itt nagybetűvel kell írni, ami arra utal, hogy állandósult (stacionáris) állapotról van szó és nem időfüggvényekről (átmeneti állapotról). A későbbiekben gyakran csak I/O jeleket fogunk emlegetni. Ha egy rendszer valamelyik eleme nemlineáris, azt bizonyos esetekben kompenzálhatjuk, egy a nemlinearitással inverz, jelmódosító közbeiktatásával. Ezt a módszert a szenzorokból nyert nemlineáris jel linearizálásánál gyakran alkalmazzuk. A folytonos nemlinearitásokat tartalmazó rendszerek matematikai leírása nagyon nehézkes. Ezeket apró darabkákra osztják és az így kapott lineárisnak tekinthető darabkákat külön-külön elemzik.

3.5 Folyamatos és mintavételezett rendszerek A folyamatos jelek időben szakadásmentesek, azaz az idö bármely pillanatában jelen vannak. Amikor azonban a jelfeldolgozás bonyolult és hosszabb időt igényel, csak bizonyos időközökben vehetünk jelmintát a folyamatból. A mintavételezési idö akkor kielégitő, ha a két mintavétel között nem történhet jelentős változás a folyamatban. A számítógépes irányítástechnikai rendszerek rendre mintavételezéssel dolgoznak (mintát vesznek, számolnak, majd kiadják az eredményeket). Ebből az is következik, hogy például a mikrovezérlővel irányított rendszerek nagyon gyors folyamatokra nem alkamazhatók. A mikroprocesszorok (számítógépek-mikroszámítógépek) arhitektúrájának fejlődése (DSP) és a frekvenciataktusának (MHz, GHz) növekedése azonban lehetővé teszi a mind gyorsabb folyamatok számítógéppel történő irányítását. Példa erre a reális időben történő hang és kép digitális feldogozása. Az elmélet a mintavételezett rendszerek matematikai modellezésére (leírására) nem diferenciál egyenleteket (és ennek megfelelően Lapplace transzformációt), hanem úgynevezett rekurziós differencia egyenleteket (és ennek megfelelően Z transzformációt) használ. Ha a két mintavétel között eltelt idő (mintavételezési idő) olyan rövid hogy ezalatt a folyamatban szinte semmi észrevehető változás nem történhet, akkor a rendszert kvázifolyamatosnak nevezzük. 23 / 159


3.6 Analóg és diszkrét (digitális) jelek (rendszerek) Ha egy jel az értéktartományán (mérési tartományán) belül folyamatosan miden értéket felvehet, akkor analóg jelről beszélünk. Hasonlóan mint a matematikai számegynesen az irracionális számok, amelyek a számegyenes minden pontját folyamatosan kitöltik. A diszkrét jelek az adott értéktartományon belül csak bizonyos értékeket vehetnek fel. Hasonlóan mint a matematikai számegyenesen az egész (és a racionális) számok, amelyek a számegyenesnek csak bizonyos pontjait töltik ki. Például egy 8-bites diszkrét jel az értéktartományt 256 értékkel képviseli (0 a legkisebb,1,2,3, ... ,255 a legnagyobb). A bináris jel csak két értéket vehet fel (pl. Igaz/Nem igaz, TRUE/FALSE, ON/OFF, LOW/HIGH, 0/5V stb.). A digitális szó alatt, ritkábban csak bináris, de többnyire bináris és diszkrét jelet is értünk. Az analóg jeleket leginkább műveleti (operációs) erősítőkkel szokták feldolgozni. Ezek segítségével összeadhatunk, kivonhatunk, szorozhatunk, differencálhatunk, integrálhatunk stb. A számítógépet (PC, mikroprocesszor, mikrovezérlő, mikroszámítógép) használó irányítástechnikai rendszerek a jelfeldolgozást kizárólag digitális formában végzik. Diszkrét számokkal (bájt, word-integer stb.) a matematikai alapműveleteket (ADD, SUB, MUL ), bináris számokkal (bit, Boolean) pedig logikai (AND, OR, XOR, NOT stb.) műveleteket végeznek.

3.7 Egyszerű, összetett és komplex irányítástechnikai rendszerek Egy szabályozási kört, vagy egy kisebb gép lefutóvezérlését nevezhetnénk egyszerű rendszernek. Egy összetett technológiai folyamat irányítása azonban már több szabályozási kör alkalmazást, valamint több kisebb-nagyobb vezérlési feladat megoldását jelenti. Ezek a feladatok egymástól nem függetlenek, egymásra bizonyos hatással vannak. Azonban ha a rendszert jó és tapasztalt szakember tervezte, akkor ezek az összetevők viszonylag autonóm egységeket alkothatnak. A rendszerek és a folyamatok jó strukturálása nem csak az irányítástechnikai szakemberek feladata, hanem a többié is, mint amilyen a technológus, gépszerkesztő, villamossági szakember stb. 3.7.1 Központosítot (centralizált) rendszerek Amikor elkezdődött az úgynevezett folyamatirányító számítógépek alkalmazása az irányítástechnikában (1958), a problémát úgy oldották meg, hogy vettek egy nagyteljesítményű számítógépet és az összes információ ott futott össze. A számítógépet a szenzorokkal és az aktorokkal rengeteg dróttal kellett összekötni, a központ meghibásodása esetén pedig minden leállt. Ettől függetlenül a központosított (centralizált) irányítási módszereknek ma is vannak hívei. Szerintük jobb mindent egy helyről irányítani (a sok információ birtokában könnyebben ki lehet számolni az optimumokat stb.), sőt még a részfeladatokat sem szabad akármilyen eszközre rábízni. Ma olcsó (1 – 50 Euro) gyors, nagyteljesítményű és megbízható mikrovezérlők, szabadonprogramozható automaták (PLC már 100 Eurótol), és ugyancsak olcsó személyi számítógépek (PC) állnak a rendelkezésünkre. Ez a tény az összetett irányítástechnikai rendszerek megvalósítási módját is megváltoztatta. 3.7.2 Disztribuált rendszerek A disztribuált rendszerek kifejezés azt jelenti, hogy a komplex gyártási folyamatot, szélességében nézve sok kisebb-nagyobb mikrovezérlő és PLC irányítja, a kezelőkkel pedig intelligens panel terminálokon keresztül tartjuk a kapcsolatot. Ezek az egységek autonóm feladatokat látnak el és egymás közt is alkothatnak kissebb hálózatot (I2C busz, SPI, RS485, AS-busz, CAN-busz, DeviceNet, HART). Ezt nevezhetjük a gépek Process nívójának.

24 / 159


A következő szinten a termelésirányítás Production helyezkedhet el. Itt elképzelhetünk néhány PC számítógépet úgynevezett SCADA programokkal, ahol lehetőség van esetleges közbeavatkozásokra, koordinációra és ellenőrzésre, valamint az adatok gyűjtésére és elemzésére. Ez fölött már az üzem tervezési, beszerzési, eladási, minőségellenőrzési stb. osztályai, valamint a manegement Office-Area helyezkedhet el, a saját számítógépes hálózatávalhálózataival (pl. Ethernet). Természetesen lehetőség van a hálózatba integrálni az Internetet, mobil telefon (SMS, GPRS) stb. szolgáltatásait is. A mellékelt kép a Siemens-től származik. A disztribuált (a döntéshozatalok több helyen történnek) irányítástechnikai rendszerek híveinek az a fő argumentuma (érve), hogy minden döntést azon a szinten kell meghozni ahol az a leghatékonyabb. Természetesen a komplex irányítástechnikai rendszer résztvevőinek, széleskörű kommunikációs kapcsolattal kell, hogy egymásközött rendelkezzenek. Az ilyen komplex rendszerek és hálózatok építőkockaszerűen bővíthetők A vezető cégek (SIEMENS, ROCKWELL, OMRON stb.), készülékeiken kívül rengeteg szoftvert biztosítanak a rendszerfejlesztők számára.

3.8 Mechanikus/pneumatikus/villamos stb. rendszerek Ez a felosztás a rendszer műszaki kivitelezésére vonatkozik. Léteznek csak mechanikai elemeket tartalmazó irányítástechnikai rendszerek. Ilyen a már említett James Watt (1788) centrifugális szabályozója, a gázórákban található nyomásszabályozó, vagy például a minden „modern” lakásban megtalálható WC-öblítő. Léteznek tisztán pneumatikus és hidraulikus (a jelfeldolgozást is beleértve) rendszerek is. Alkalmazásuk különösen robbanásveszélyes környzetekben indokolt. Csak tisztán elektromos rendszereket is említhetünk. Például a rádiótechnikában használatos erősítők és oszcilátorok (ott negatív visszacsatolást emlegetnek, ami lényegében megfelel a zárt hurkú szabályozásnak) megjelenése (1930) indította el a szabályozási körök elméletének a kifejlődését (Boode, Niquist). Iskolánkban is a szabályozási köröket (szabályozóra és szabályozott szakaszra bontva) tisztán villamossági alapon műkődő műveleti (operációs) erősítőkkel mutatjuk be. Erre szerényen azt mondjuk, hogy mi csak emuláljuk a lehetséges nagy és drága rendszereket. A rendszerek túlnyomó többsége azonban nem képvisel tiszta műszaki kategóriát. Azt azonban nyugodt lelkiismerettel kihangsúlyozhatjuk, hogy az elektrotechnikai eszközök ma már elkerülhetetlen részei szinte minden irányítástechnikai rendszernek. Ami pedig a jelfeldolgozási és a kommunikációs részt illeti, a számítógépek (PC, mikroprocesszorok, mikrovezérlők, mikroszámítógépek) használata ma már szinte minden rendszerben jelen van. Szokták mondani még a konyhai kenyérpirítóban is. Itt azért megint kihangsúlyoznám, hogy az (önműködő) irányítás (vezérlés és szabályozás) elméleti tárgyalásánál a fizikai megvalósítás milyensége teljesen érdektelen. Egyébként is nem tudhatjuk, hogy milyen műszaki eszközök fognak a jövőben megjelenni. Az absztrakt elmélet pedig azokra is vonatkozni fog.

25 / 159


4. Szenzorok (érzékelők) 4.1 Szenzorok és mérőátalakítók Az információkat a folyamatból szenzorok (érzékelők) révén nyerjük. A szenzorok működése mindig valamilyen fizikai jelenségen alapszik, azaz a szenzor valamilyen tulajdonsága függ a mért fizikai mennyiségtöl (például a szenzor elektromos ellenállása függ a mért hőmérséklettöl). A szenzorok mindig egy bizonyos nagyságú energiát vonnak el a folyamattól. Az elvont energia mértéke olyan alacsony kell hogy legyen, hogy az ne befolyásolja a folyamat működését. A szenzorokat több féleképpen szokásos osztályozni. Például léteznek passzív és aktív szenzorok. A passzív szenzoroknak valamilyen paramétere változik (ellenállás, kapacitás, induktivitás), tehát ha villamos jelet szeretnénk előállítani a szenzort táplálni kell. Az aktív szenzorok energia formájában szolgáltatják a jelet (feszültség, áram és töltés) és ezért nincs okvetlenül szükség tápra. A szenzorok a folyamatból elvont energia típusához képest is rendszerezhetők. A mellékelt kép a Siemens-től származik. Energiatipus Mechanikai energia Hőenergia Villamos energia Mágneses tér Sugárzási energia Vegyi energia

Magyarázat Erő, nyomás, áramlás, elmozdulás, út, pozíció, sebesség, fordulatszám, a hang erőssége és hullámhossza Hőmérséklet, entropia, hőáramlás Feszültség, áram, töltés, ellenállás, induktivitás, kapacitás, dielektromos állandó, frekvencia, az impulzus hossza A mágneses tér erőssége, mágneses permeabilitás Elektromágneses hullámok teljes tartománya (gamma,UV, fény, IR, hő, rádió). Intenzitás, hullámhossz, polarizáció, fázis Anyagszerkezet, koncentráció, a reakció sebessége, oxidációsredukciós potenciál, pH érték

Nukleáris energia Általában a szenzorokból nyert jelet átalakító segítségével módosítjuk. Ez a módosítás magába foglalja a jel felerősítését, linearizálását és átalakítását valamilyen szabványos jellé (pl. 420mA). Jó ha a átalakító a szenzor közelében van elhelyzve, mivel a szenzorból nyert jel energiaszintje alacsony és ezért érzékeny a zavarokra.A folyamatban az információk túlnyomó többségükben analóg formában vannak jelen (hőmérséklet, nyomás, pozíció-helyzet stb.). Ezeknek az átalakítása digitális jellé a mi felosztásunk szerint az interfész feladata. A gyakorlatban azonban az A/D átalakító lehet a mérőeszköz 26 / 159


része is. Sokszor a mérőátalakító kifejezést úgy értelmezzük, hogy az tartalmazza a szenzort is. Léteznek olyan szenzorok is amelyek működési módjukból kifolyólag egyben A/D átalakítók is. Például az útmérésre szolgáló inkrementális adó, vagy az impulzusszámláláson alapuló áramlásmérő. Mivel a jelfeldolgozó nem a valódi fizikai jelet (pl. hőmérséklet ) használja, hanem az átalakított jellel számol, ez azt jelenti, hogy a mérőátalakító hibája teljes mértékben (és értékben) kihat a rendszer pontosságára. Nem lehet pontosabban irányítani (szabályozni) mint ahogyan mérünk. A mérőműszerekkel kapcsolatos hibák és azoknak a rendszerezése más tantárgyakból már korábban tanulmányozásra került (villamos mérések). A különböző fizikai mennyiségeket gyakran közvetett úton mérjük. Például az elmozdulás alapján mérjük a nyomást, vagy a nyomáskülönbség alapján mérjük a folyadékszintet stb. Ezért a mérőátalakítók felsorolásánál az érzékelő szó helyett gyakran a mérés szavat fogjuk használni. A gyakorlatban az irányítástechnikai rendszereket tervező, kivitelező és üzemeltető szakemberek a szenzorokat (és a mérőátalakítókat - de nem mindig) készen vásárolják. Ettől függetlenül ajánlatos, hogy ismerjék az egyes szenzorok és mérőátalakítók rendeltetését és működési elvét. A következőkben erröl adunk egy rövid áttekintést.

4.2 Hőmérsékletérzékelők A hőmérséklet mérése az egyik legrégibb és egyben legelterjedtebb mérési csoportba tartozik. Mértékegysége a Celzius [°C], Farenhat [°F], vagy az abszolut hőmérséklet Kelvin [K]. Emlékeztetőül t[°C] = T[K] - 273. A folyamatokban általában a hőmérséklet lassan változik, ami azt jelenti hogy a mérési sebesség (pl. mintavételezési idő) nem jelent nagyobb problémát. Nagyon sok típusú hőmérsékletérzékelő létezik, körülbelül -200°C tól +2000°C (sőt több) hőmérséklettartományban. 4.2.1 Termoelem - Termopár Több féle elnevezés van használatban termoelem – termopár – ikerfémpár. A termopár két különböző összetételű fémvezetőből áll, amelyeknek az egyik vége össze van forrasztva. Ha az összeforrasztott véget melegítjük, akkor a távolabb és az alacsonyabb hőmérsékleten lévő végeken feszültséget mérünk (Seebeck – Zebek effektus). Tehát a termoelem feszültséggenerátorként viselkedik amelynek belső ellenállása kb. 10Ω. Ez a termoelektromos feszültség a végeken levő hőmérséklet-különbséggel arányos: U = a * ( T2 – T1 ) , ahol a az érzékenységi együttható. Nagyon nagy hőmérséklettartományban alkalmazhatók (-250°C tól +2000 °C). A különböző szabványosított ikerfémpárok termoelektromos feszültségét (érzékenységi együttható) a táblázat mutatja. Az S típusú Platina (10%Rh) Típ- Ikerfémpár Max. a us fémkombináció °C μV/°C - Platina termopár, a 630,74 – 1064,43 °C hőmérséklettartományVas-konsztantán (Fe-Co) 760 52,3 J ban nemzetközi etalonként van Hromel - Alumel 1370 41,2 K elfogadva. Hromel - Konsztantán 1000 61,4 E Mivel a termoelektromos Réz – Konsztantán (Cu-Co) 400 40,2 T feszültség értéke kicsiny Platina (10%Rh) - Platina (PtRh-Pt) 1750 7,6 S felerősítésére insztrumentációs Platina (13%Rh) - Platina 1600 12,0 R (műszer) erősítőt kell használni. Ezen kívül a hideg vég kompenzációjára is szükség lehet. A hideg vég lehet a környezet hőmérsékletével azonos, amely azonban változhat és kihat a mérés pontosságára. A termoelemeket inkább az igényes mérésekhez (ipar, laboratórium) szokták használni, és ott ahol az igen magas hőmérsékletek mérésére nincs más lehetőség.

27 / 159


4.2.2 Platina ellenálláshőmérő Sok anyag létezik (vezetők, félvezetők) amelyeknek az elektromos ellenállása a PTC hőmérséklet függvényében változik. A fémek (vezetők) csoportjában azonban, mérési célokra a platinán Pt kívül szinte mást nem is használnak. Platinaellenálláshőmérőt szintén viszonylag nagy -260°C tól 650°C (max. 1500 °C) hőmérséklettartományban használják. Igen pontos mérésekre használhatók, amit az is bizonyít, hogy a -182,96°C tól 630,74°C-ig terjedő hőmérséklettartományban nemzetközi etalonként van elfogadva. Ellenállása a hőmérséklet függvényében növekszik (PTC-Positive Temperature Coefitient), tehát hidegen jobban vezet (németül Kaltleiter). Az ellenállás értékét a hőmérséklet függvényében, az ún. Callendar Van Dusan féle egyenletettel írják le. Ezt az egyenletet (függvény) nemzetközileg elfogadott és a jobb műszerezési programok (pl. a LabView) könyvtárként tartalmazzák. Kisebb pontosságot igénylő mérésekhez elegendő csak az egyenlet egyszerűbb (lineáris) változatát használni, amelyet már fizikából is ismerünk: R (T) = R0 * ( 1 + α * T) , ahol R0 az ellenállás értéke 0°C hőmérsékleten. A hőmérsékleti együttható értéke a platinára α = 0,00392 1/°C , illetve 0,392 %/°C Két legelterjedtebb típus a Pt100 R0 = 100 Ω és a Pt1000 R0 = 1000 Ω Mivel az ellenállás változásának a mértéke a hőmérséklet függvényében kicsi (az α kicsi) ezért a változás: ΔR = α * R0 * T kiszűrésére hídkapcsolást alkalmazunk. A gyártók Pt típusú hőmérsékletérzékelőknek széles skáláját kinálják. Kaphatók szűzen, fóliába ágyazva, különböző tokozásokkal (pl. nemesacél az élelmiszeriparnak), elektronikával egybeépítve, vagy anélkül. A mérőszál lehet nagyobb keresztmetszetű és hosszabb (robusztus). Ekkor nagyobb az időállandója (lassabban veszi fel a hőmérsékletváltozást), de nagyobb árammal terhelhető és ezért a nyert jel energiaszintje is nagyobb, tehát ellenálóbb a zavarokra. A kisebb méretűek (ellenállásuk ugyancsak 100 vagy 1000 Ω) gyorsan reagálnak a hőmérsékletváltozásokra de elektromosan kevésbé lehet megterhelni. Ugyanis a hőmérsékletérzékelőn átfolyó áram veszteségeket okoz (melegíti a szálat P= I2R) és ezzel rontja a mérés pontosságát. 4.2.3 Termisztor A termisztorok (thermally sensitiv resistor) ellenállása nagyon érzékeny a hőmérséklet NTC változására (α =0,04 1/°C illetve 4 %/°C), de sajnos jelleggörbéjük nem lineáris és sokkal kissebb hőmérséklettartományban alkalmazhatók (-100°C tól +400°C-ig minden típust beleértve). Ellenállásuk a hőmérséklet függvényében csökken (NTC-Negative Temperature Coefficient) ), tehát melegen jobban vezet (németül Heißleiter). (a képen a lila szinű jelleggörbe).A termisztorokat különböző anyagok (króm, mangán, kobalt – szulfidok, oxidok stb.) keverésével és préselésével állítják elő. A hőmérséklet és az ellenállás összefüggésére az ún. Steinhart féle egyenletet használják. Az egyenlet alapján megírható az a program amely a linearizációt elvégzi. A nemlinearitás miatt, de azért is mert olcsók, gyakran az ON/OFF üzemű termosztátok működtetésére használják. A termisztorok ellenállása (pl. 5kΩ 25°C-on) jóval nagyobb mint a platinaellenálláshőmérőké. Ezekből is széles a kinálat és áruk alacsonyabb mint a hasonló kivitelezésű Pt típusúaké. 4.2.4 Félvezetőböl készült hőmérsékletérzékelők Az egyik lehetőség hogy csak egy darab szilíciumlapot használunk félvezetőként p-n átmenet nélkül. Az ilyen szilíciumlapocskának az ellenállás 10Ω és 10kΩ között mozoghat. PTC elemként viselkedik (az ellenállás a hőmérséklet függvényében növekszik). Hőmérsékleti együtthatója α =0,007 1/°C illetve 0,7 %/°C, illetve majdnem duplája mint Pt típusúaké (a képen a zöld szinű jelleggörbék).Egy 28 / 159


olcsó típus a KTY10. Ellenálása 25°C–on 2000Ω ±3% . Az átfogható mérési tartomány -50°C tól +150 °C -ig. Már 0,5 Euro-tól kapható. A másik lehetőség a pn átmenet kihasználása. A p-n átmenetekre (diódák, tranzisztorok) ható hőmérsékletváltozás az elektronikában sok gondot okoz, de ez a jelenség a hőmérsékletmérésre jól kihasználható. Egy szílíciumkristályalapú p-n átmenet felbontása -2,2 mV/°C, jelleggörbéje pedig teljesen lineáris. Az átfogható mérési tartomány viszonylag kicsi -40°C tól +140 °C -ig. Egy olcsó diódát (pl. 1N4148) is használhatunk hőmérsékletérzékelőként. A mérőelektronika kidolgozásához néhány műveleti erősítőre (μA741), ellenállásokra és potencióméterre van szükség. Egy ilyen mérőátalakító, a megfelelő jelfeldolgozással (mikrokontroller), is témája lehet egy diplomamunkának. 4.2.5 IC -és (integrált árramkör) hőmérsékletérzékelők Hőmérsékletérzékelőket gyártanak kész IC-ék formájában is. Ezek az érzékelők kimenetükön a hőmérséklettel arányos feszültséget adnak (LM35, 10mV/°C, háromlábas, National Semiconductor), vagy az abszolút hőmérséklettel arányos áramot engednek át (AD590, AD592, 1μA/K, Analog Devices). Iskolánkban az AD592-es típust használjuk. Ára 8,67 Euro. Ez a típus csak két vezetéket igényel. A tápfeszültség széles határok közt (4-30VDC) változhat. A mérési tartomány 25°C (248K) tól 105°C (378K) –ig terjed. A pontosság az egész értéktartományra nézve ±1°C. Függetlenül a tápfeszültségtől, az IC a hőmérséklettel arányos áramot enged át, -25°C (248K)-nál 248μA, 0°C (273K)-nál 273μA, 105°C (378K) 378μA. A képen az AD592 hőmérsékletérzékelővel (áramgenerátorként van ábrázolava) két ellenállás van sorbakötve, amelyeknek az összege 1kΩ kell hogy legyen. Ekkor a nyert feszültség 1mV/K. Például 0°C (273K)-nál 273mV. Ezt a feszültséget insztrumentációs erősítővel felerősítjük és szükség esetén levonjuk a 273mV-ot. Úgy állítjuk be, hogy -25°C-nál 0V-ot, 105°C-nál pedig 5V (vagy 2,55V) – ot kapjunk. Ezt az értéket vezetjük a mikrovezérlőbe beépített A/D átalakítóra. Ha az átalakító 8 bites -25°C-nak megfelel a 0 szám, 105°C-nak pedig a 255. Tízbítes A/D átalakítónál a megfelelő számértékek 0 és 1023. 4.2.6 IC -és digitális hőmérsékletérzékelők (fakultatív) Az utóbbi időben igen nagy népszerűségre tett szert a Dallas Semiconductor DS1820 típusjelzésű hőmérsékletérzékelő IC-je. Ára 6,11 Euro. Mindössze három lábbal rendelkezik, a táp (GND, Vdd) és az egyvezetékes (OneWire bus) kommunikáció (DO). Az IC A/D is átalakítót tartalmaz és a hőmérséklet értékét soros kommunikációval küldi le. A mikrokontroller Master/Slave (Mester/Szolga) protokoll elven kommunikál az IC-vel. Iskolánkban is a PIC-fejlesztőrendszerrel ezt az érzékelőt használjuk. A PIC-hez kapott fejlesztőszoftverben (mikroBasic, mikroPascal és mikroC) a hőmérsékletérzékelő IC könyvtári függvényekkel kezelhető (Ow_Reset, Ow_Read, Ow_Write). 4.2.7 Termosztát A termosztát (hőmérsékletkapcsoló ) csak küszöbértéket érzékel, azaz ON/OFF (diszkrét-bináris) működésű. Sok típus létezik: ekszpanziós, dilatációs, bimetálos stb. Amikor a nyomáskapcsolókat tárgyaljuk, a termosztátokra még egy kicsit visszatérünk. Ott egy differenciális (hőmérsékletkülönbséget mérő) termosztátot mutatunk be kapiláris szenzorokkal, és csőmembránnal. A termosztátok mérési tartománya minden típust beleértve kb. -30°C tól 300°C terjed. Ilyen a szobai termosztát (villanykályha, központi fűtés), a fürdőszobai bojlerokban található kapiláris termosztát, vagy a mosógépben levő termosztátok stb. A termosztátnál, csakúgy mint a többi ON/OFF működésű mérőeszköznél (nyomáskapcsoló, 29 / 159


szintkapcsoló stb.), jellemző a hiszterézis. Két küszöbérték létezik, egyik a bekapcsolásra TON , másik pedig a kikapcsolásra TOFF . A kettő különbsége a hiszterézis ΔTHISZT = TON - TOFF . Például a szobai termosztát TON =22°C alatt bekapcsolt, TOFF = 23°C fölött pedig kikapcsolt állapotban van. A két hőmérsékletküszöbb között ΔTHISZT = 23°C - 22°C = 1°C pedig a kimeneti érték (állapot) lehet ON is vagy OFF is, attól függően, hogy a kissebb hőmérsklettől haladunk a nagyobb felé (melegítünk), vagy pedig fordítva.

4.3 Az elmozdulás, út és a pozició érzékelése és mérése Mondhatnánk, hogy a három fenti fogalom egy és ugyanaz. Mindegyiknek mértékegysége a méter [m]. A pozició, valaminek a pontos helyzete, sok folyamatnál [mm] nagyon lényeges (pl. szerszámgépek, csomagológépek, robotok ). A pozíciót a megtett út [m] alapján is számolhatjuk, feltéve ha tudjuk a kezdő poziciót és ha mozgás közben sosem [km] hibázunk. A megtett út mérése-számolása máshol is érdekes lehet. Például a taximéter ti. ezt is ma már mikrokontroller felhasználásával mérik. Az elmozdulás, illetve a rövidebb útak mérése, pedig alapja lehet sok más fizikai mennyiség mérésének. 4.3.1 Az elmozdulás érzékelése potencióméterrel Az elmozduló elemet valamilyen mechanizmussal (fogaskerék, fogazott léc stb.) merev kapcsolatba kell hozni a potencióméter csúszkájával. Ha a potencióméter két végpontját állandó feszültségről tápláljuk, akkor a csúszka és a nulla (referens pont) között az elmozdulással X arányos feszültséget Uout kapunk (X = k*Uout). Fontos hogy a potencióméter ellenállása RP legalább egy nagyságrenddel kisebb legyen mint a csúszkára kötött fogyasztó (például az erősítő bemenőellenállása) ellenállás Rbe, különben a jelleggörbe X=f(Uout) nem lesz lineáris. A túl kis áramok használata sem jó mert akkor a jel érzékeny a zavarokra. Ha nem áll rendelkezésünkre a kivánt tápfeszültség, akkor azt előtét ellenállással RE állítjuk be. Az ábrán egy lehetséges kombinációt tüntettünk fel. A feszültségjel egyik szabványos formája a 0-10VDC, vagy a -10 /0 /+10VDC. Ha mikrokontrollereket használunk, az analóg bemenetek feszültségtartománya 0-5VDC. Előfordul a 0-2,55VDC is (C-Control Station az Iskolánkban). Ezt a készülékbe épített 8-bites A/D átalakító sugallta, ugyanis a 2,55V-nak megfelel a 255-ös számérték. Potenciómétereket gyártanak különböző ellenállásértékekkel és különböző teljesítményekre. Lehetnek huzalból tekertek, esetleg műanyagból (kevésbé kopnak). A mozgást illetően lehetnek rotációsak egy (háromnegyed kör 270°) vagy több fordulatosak (leginkább 10) és lehetnek lineárisak. Egyszerűsége és viszonylag alacsony ára miatt az Iskolánkban mi is gyakran használjuk. 4.3.2 Az elmozdulás érzékelése differenciális transzformátorral A differenciális transzformátor három tekercse (egy primér és két szekundér) egy henger alakú hüvelyen helyezkedik el. A két egyforma menetszámú szekundér tekercs ellenpárhuzamosan van kötve. Ha a primért váltakozófeszültségről (pl. 5kHz) tápláljuk a szekunderben indukálódó feszültségek megsemmisítik egymást. Azonban ha a hüvelyben elhelyezkedő fémrudat (vagy ferritrudat) felfelé mozdítjuk (ahogy az ábrán be van rajzolva) a felső tekercsben (az erősebb mágneses kapcsolat miatt) nagyobb feszültség indukálódik. Az eredő (kimenő) feszültség Uki arányos lesz a rúd elmozdulásával X (úttal). (X=k*Uki). Azt is észre kell venni, hogy a neutrális ponttól (ha a ferromágneses rúd középen van) felfelé illetve lefelé haladva az eredő feszültség fázisa magfordul (+90° illetve -90°). Ezt a 30 / 159


elmozdulásmérőhöz kötött elektronikával meg lehet állapítani. A differenciális transzformátorral működő elmozdulásmérők nagyon pontosak. Működtetésükhöz kevés energiát vonnak el a mozgó elemtől. Hátrányuk hogy túl drágák. 4.3.3 Az út mérése inkrementális adóval Az utat itt az imulzusok számlálásával, inkrementálásával (a pillanatnyi összeghez mindig egyet hozzáadunk) mérjük. Ha a mozgás iránya ellenkező irányú akkor pedig dekrementálunk, a pillanatnyi összegből mindig egyet levonunk. Ahhoz hogy tudjuk az apszolút pozíciót a mérőrendszert valamihez viszonyítani kell (kezdőpozició). Ez a tápfeszültség kimaradásánál okoz gondot, ilyenkor újra meg kell határoznunk a kezdőpozíciót. Ha az impulzusszámláló egyszer hibázik (többet számol), a hiba állandóan fennmarad. Az impulzusokat különböző módon lehet előállítani. Használhatunk mechanikus érintkezőket amelyet ütögetéssel vagy egy állandó mágnessel működtetünk. Érintkezőmentes, tranzisztoros kimenetű kapcsolókat, amelyeket állandó mágnes vagy egy ferromágneses (csak egy vasdarab) nyelvecske működtet. A kapcsolórészt (vagy érintkezőt) tartalmazó rész álltalában áll (1 drb), míg a működtető elemek (pl. mágnes) a mozgó alkatrészre vannak szerelve. Az előzőktöl sokkal professzionálisabb eszköz a rotációs impulzusadó. Típustól függően egy teljes fordulatra jutó impulzusok száma száz és néhány ezer között mozog. Ezek a rotációs adók az impulzusokat több párhuzamos csatornán szolgáltatják. Az A csatornához képest a B csatorna egynegyed (90°) impulzusperiódust késik. Ha a forgásirány megváltozik akkor pedig 90° –ot siet. Tehát megfelelő „elektronikával” a forgásirány is megállapítható. A C csatorna minden teljes fordulatkor ad egy impulzust. Ezzel korrigálhatjuk az esetleges számlálásközbeni hibát, vagy a kezdőpozíció megállapítására is felhasználhatjuk. 4.3.4 A pozíció meghatározása digitális mérőléccel A több nyomsávos kódolt skála minden nyomsávját egy optikai (vagy mágneses) mérőfejjel letapogatjuk. A sávokat egy lécre párhuzamosan (mérőléc), vagy egy kör alakú lemezre koncentrikusan (kódtárcsa) is felvihetjük. Mindkét esetben megkapjuk a mérőeszközzel összekapcsolt géprész abszolút helyzetét (út, vagy szög), azaz nem kell a pozíciót inkrementálással és

dekrementálással számolgatni. Ha például 10 nyomsávval dolgozunk, akkor az egész úthossz (vagy a teljes szög) 210 = 1024 diszkrét részre osztódik. Ez 1m úthosszra 1mm-res felbontást, illetve a teljes szögre (360°) 1‰ pontosságot jelent. A sávok kódolását bináris formában is elvégezhetjük, de ez a leolvasás pontatlanságából kifolyólag problémát okozhat, mivel a bináris kódolásnál, vannak olyan helyek ahol egyszerre több nyomsáv szine (bitje) is változik. Ha Gray (Gréj) kódolást alkalmazunk, ez a probléma eltűnik, mivel 31 / 159


a Gray kódnál minden helyzetben csak egyetlen bit értéke változik. Természetesen a mikrokontoller aritmetikai logikai egysége Gary kódokkal nem tud számolni (+, - stb), ezért a Gray kódot vissza kell alakítani binárissá. Erre a későbbiekben adunk példát. 4.3.5 Véghelyzetkapcsolók Azokat az eszközöket amelyek a helyzet (pozició) csak egyetlen pontját tudják érzékelni (ON/OFF) véghelyzetkapcsolóknak nevezzük. Ezekből is rengeteg típus létezik–kapható: -Mechanikus működtésű (reteszeléssel vagy anélkül, kerekes, szondás stb.). -Érinkezésmentes közelítéskapcsoló (induktív, kapacitív, optikai) amely egy állandó mágnes, vagy csak egy ferromágneses anyag (vasdarab) közelségére reagál. Kimenetük lehet feszültségmentes mechanikai érintkező, vagy tranzisztoros. Példák az alkalmazásra: garázsajtó, a hütőszekrény ajtajára szerelt mikrokapcsoló, szerszámgépek, daruk stb. ahol elegendő a helyzetet csak néhány pontban érzékelni. Ezek főleg a végpontok, gyakran a biztonság is megköveteli alkalmazásukat. A fénysorompók tárgyalásánál még visszatérünk az alkalmazásukra.

4.4 A sebesség és a fordulatszám érzékelése és mérése A sebességet [ m / s ] a megtett út [ m ] és az eközben eltelt idő [ sec ] alapján lehet kiszámolni: v = Δs / Δt . Az út mérésével már foglalkoztunk, az idő v=s/t mérését pedig a fejezet végén taglaljuk. A sebesség és a fordulatszám mérésére Ω=α/t azonban léteznek közvetlen eszközök is mint amilyen a tahogenerátor v=Ω*R n = 30 * Ω / π (tachométer). Mi a sebesség és a fordulatszám [ ford / min ] (helyesebb lenne szögsebesség [ rad / s ]) között nem teszünk lényeges különbséget, tekintve hogy a kettő egymással arányos, és a forgó mozgás egyszerű mechanizmusokkal egyenesvonalúvá (és fordítva) alakítható. Ha a motorok fordulatszámát szeretnénk pontos értéken tartani akkor zárt húrkú szabályozást kell alkalmaznunk. Ehhez pedig szükség van a fordulatszám (szögsebesség) pontos mérésére. Példák erre a papírgyártógépek, nyomdagépek stb. Ha azt szeretnénk, hogy a hálózati feszültség frekvenciája pontosan 50Hz legyen, a szinkron generátort hajtó turbina fordulatszámát is pontos értéken kell tartani (például, 3000, 1500, 1000, 750, fordulat/perc). Sokan pedig arra kiváncsiak hogy hányassal (milyen gyorsan) megy az autó [ km / h ] . 4.4.1 A fordulatszám érzékelése tachogenerátorral A tachogenerátor a forgó eszközzel (amelynek a fordulatszámát mérjük) merev Ui = K * n mechanikai kapcsolatban álló kis teljesítményű villamos generátor. Csak akkora villamos energiát kell hogy szolgáltasson amekkora a méréshez szükséges. Mint minden generátornál, a forgás (mozgás) és a mágneses tér kölcsönhatására ( Ui = B * l * v ) a kimeneteken feszültség indukálódik. Ez a feszültség arányos a fordulatszámmal. Az alábbiakban, két leginkább használatos tachogenerátortípust említünk meg: - Egyenáramú tachogenerátor. A feszültség a forgorészen indukálódik amelyet kommutátoron és szénkeféken keresztül kivezetnek. A gép (tachogenerátor) gerjesztését az állórészen elhelyezett permanens mágnesek biztosítják. Forgásiránytól függően az indukált feszültség pozitív vagy negatív. A kimenőfeszültség a fordulatszámmal nagyon jó egyenes arányban van. Az indukált feszültséget a gyártók 1000 ford/perc –re szokták megadni. Tipikus értékek 20, 40 vagy 60 V / 1000 ford/min. - Szinkron generátor típusú tachogenerátor. A feszültség az állórészen indukálódik, de sajnos váltakozó. Ezt a váltakozófeszültséget utána diódákkal egyenirányítják és ezért a forgásirányt nem tudja érzékelni. A gerjesztést a forgórészen elhelyezett permanens mágnesek biztosítják. 4.4.2 A fordulatszám mérése inkrementális adóval 32 / 159


Az előzőekben inkrementális adóval az utat mértük. Ez kihasználható a sebesség (v = s / t) illetve a fordulatszám [ ford / min ] mérésére is. Az adott idő alatt befutó impulzusok számát el kell osztani az idővel. További feladat, hogy az így kapott értéketet konkrét fizikai mennyiségre számoljuk át. Azt is észre kell venni, hogy a mérés mindig bizonyos időt igényel. Ha a mérési időt nagyobbra vesszük, növekszik a pontosság, de már nem pillanatnyi hanem inkább átlagsebességet kapunk. -Egyik lehetőség, hogy állandó kapuzási idővel számoljuk ΔImpulzus számoljuk az impulzusokat. A megszámlált impulzusok száma ekkor ΔT állandó de mérjük arányos a sebességgel (a forgó mozgásnál a szögsebességgel, egyszerűbben a fordulatszámmal). Azonban kis sebességeknél az adott kapuzási idő alatt (pl. 1s) bufutó impulzusok száma túl kevés lehet, és ezzel egyidőben a mérési hiba növekszik. -A másik módszer, hogy kimérjük azt az ΔImpulzus állandó de számoljuk időintervallumot míg össze nem gyűlik egy ΔT mérjük meghatározott számú impulzus (pl. 1000). A pontosságot ugyan megtartottuk, de most pedig kis sebességeknél (alacsony fordulatszámoknál) túl hosszúra növekedhet a mintavételezési idő, illetve átlagolt sebességeket kapunk. Az inkrementális adó kimenetei (A, B, /A. /B, C, /C) általában 0/5VDC kimenőfeszültéget adnak (vagy OC, CMOS) tehát közvetlenül összeköthetők a mikrokontroller (régebben TTL vagy CMOS logikai IC-kel) portjaival. Az impulzusokat azonban nem a sztandard portlábakra vezetjük, hanem a mikrokontrollerba épített számlálóra. Szinte minden mikrokontoller rendelkezik egy két ilyen perifériával. Ez a számláló függetlenül a program futásától (hardveresen) számlálja a bejövő impulzusokat. Amikor a számláló megtelt (vagy eléri a programból beállított preset értéket) megszakítást kér a mikroprocesszortól. A két interrapt között eltelt időböl pedig ki lehet számolni a sebességet. A másik módszer, hogy bizonyos pontos időközökben kiolvassuk a számláló regiszterének tartalmát (azaz a bejövő impulzusok számát) és utána számoljuk a sebességet. n ~ ΔImpulzus / ΔT

4.5 Az erő érzékelése és mérése Az erő mértékegysége a Newton [ N ]. Az erő mérése alapja lehet a tömeg [ kg ] mérésének is ( m = F / g) . Az elektronikus mérlegek ma már részét képezik az irányítástechnikai rendszereknek (adagológépek stb.) és elszámolási célokra is alkalmazzák. Ezenkívül igen fontos a különböző anyagokban létrejövő erők és belső feszültségek mérése. A szemmel alig látható deformálódást szenvedő fémelemekben (pl. gerendák tartók) jelentős erők (belső feszültségek) támadnak és ezeket nyúlásmérő bélyegekkel lehet mérni. A papírgyártó gépeknél, a hengerek között futó papírban fellépő húzóerő mérése és szabályozása lehet fontos. 4.5.1 Az erő érzékelése mérőszalagokkal Használják még a nyúlásmérő és mérőbélyegek kifejezést is. Tapasztalatból tudjuk, hogy ha valamit megnyújtunk, akkor az R=ρ *l /S hosszabb, keresztmetszete pedig kisebb lesz. A mérőszalagok is ΔR / R = k * Δl / l ilyenek. A nyúlás következtében a szalag (huzal) ellenállása R két ok miatt is növekszik. Egyik a megnövekedett hossz l + Δl a másik a valamelyest lecsökkent keresztmetszet S - ΔS . A reletív megnyúlás Δl / l következtében bekövetkező ellenállásnövekedés ΔR / R mértéke a nyúlásmérő bélyegek legfőbb jellemzője. Értéke a fémből készült huzalokra leginkább k = 2 . Ez azonban az erő mérésére így is kevés, ezért a szalogot különböző elrendezések szerint cikk-cakk (vagy kigyó) alakban helyezik el, és valamilyen műanyagfólia közé ágyazzák (préselik). Az így kapott „bélyeget” arra a testre ragasztják amelyre az erő hat. Az erő hatására a test is deformálódik és közben nyújtja R+ ΔR (esetleg nyomja R-ΔR ) a bélyeget. A képen egy gyári, úgynevezett elektronikus mérleg (pl. cukorrépaátvétel) vázlatát láthatjuk. 33 / 159


Erő-, nyomás-, nyúlás- és húzásmérő bélyegeket félvezető elemekből (kristályszerkezet pn átmenet nélkül) is készítenek. Előnyük, hogy sokszorta (nagyságrendekkel) érzékenyebbek a fémből készültektől. Ellenállásuk jóval nagyobb. Azonban komoly hátránynak számít, hogy jelleggörbéjük nem lineáris, és az ellenállás értéke is nagy mértékben függ a hőmérséklettől. Iskolánkban is egy ilyen speciális erőérzékelő bélyeget használtunk fel az emberi újjakban rejlő erő megállapítására. Ára 4,58 Euro. Erre a kis erőérzékelő bélyegre a gyártó a következő műszaki adatokat adta: Ha a bélyegre ható erő 10g –tól 10kg –ig növekszik, akkor az ellenállás értéke 2MΩ –ról 3kΩ –ra csökken. Valószinűleg helyesebb lett volna ha az erőt Newton-ban adják meg (átszámolás *9,81) illetve: 0,0981N – 98,1N  2MΩ – 3kΩ . Ez valóban nagyon nagy változás, úgyhogy még mérőhíd (Wheatstone–híd) alkalmazására sincs szükség. Az ábrán csak egy potenciómétert kötöttünk sorba az erőmérőbélyeggel, és a poti csúszkáját vezetjük a mikrokontroller (vagy PLC) A/D átalakítójára. A feszültség Uout beállításakor figyelembe kell venni az A/D átalakító alapadatait (2,55V vagy 5,00V vagy 10,00V). Ha az A/D átalakító 8 bites a maximális Uout feszültségnek a 255 szám felel meg, 10 bites átalakítónál pedig 1023. Ezen mérőbélyeg használatakor megtapasztaltuk, hogy kisebb erőknél a bélyeg érzékenyebb. Nagy erőknél pedig már hiába fokozzuk az erőt az ellenállás értéke már alig csökken. A bélyeg jelleggörbéjének R = f(F) a pontos felvétele (mivel a gyártó nem méltóztatott megadni), valamint a görbe linearizálása és a jel feldolgozása témája lehet egy diplomamunkának. 4.5.2 Az erő mérése elmozdulás alapján Ha egy rugót szét akarunk húzni (vagy összenyomni) erőt kell kifejtenünk. Ez az erő F=-K*x pedig arányos a rugó elmozdulásával. Tehát az erő mérését is vissza lehet vezetni az NTC elmozdulás mérésére. Igényesebb mérésekhez az elmozdulást differenciális transzformátorral, egyszerűbb alkalmazásokhoz pedig potencióméterrel érzékelhetjük. Ilyen egyszerű elv alapján szerkesztettünk meg (diplomamunka) iskolánkban is néhány, az erőnlét megállapítására szolgáló mérőeszközt. Egyik a marokerőt méri, a másik pedig egy bikaszarvat utánoz és a karok nyomóerejét regisztrálja. 4.5.3 Az erő mérése piezoelektromos szenzorokkal Ha a piezoelektromos tulajdonságú anyagok (kvarc, Rochelle só, turmalin, bárijum-titanit stb.) deformálódást szenvednek, felszínükön bizonyos mennyiségű elektromosság (töltésmennyiség) szabadul fel. A felszabaduló töltésmennyiség Q[C] a deformációt előidéző erővel F[N] arányos (Q=k*F). A felszabadult töltésmennyiség azonban a szivárgó ellenálás következtében lassan elvész (a kondenzátor kiürül) és ezért az erőváltozás létrejötte után a mérést gyorsan végre kell hajtani. A mérőátalakító bemenő ellenállásának is nagyon nagy kell hogy legyen, vagy pedig úgynevezett töltéserősítőt kell alkalmazni. A piezoelektromos szenzor tehát a dinamikus és gyorsan válltozó erők mérésére alkalmas. A statikus (hosszan tartó) erőt nem tudja mérni, hacsak az erő megjelenésekor ezt nem sikerült megtenni és az értéket memorizálni. A gyorsulás a[m/s2] és a vibrációk mérésére is piezoelektromos szenzorokat használnak. A kristálymikrofonok is ezen az elven érzékelik a hanghullámok változását. A piezoelektromos szenzorok jeleit feldolgozó elektronikára a fejezet végén adunk példát.

34 / 159


4.6 A nyomás mérése A nyomás mérése is nagyon gyakori az ipari folyamatokban, de nem lehet közvetlen úton érzékelni. Legiinkább a nyomást elmozdulássá kell alakítani, vagy az erő p=F/S méréséből vezetjük le. A nyomás sem szokott nagy p = ρ*g*h sebességgel változni, de azért gyorsabban változik mint a hőmérséklet. A mintavételezés frekvenciája 0,2s és 5s (5 - 0,2Hz) között mozoghat. A nyomás mértékegysége a Pascal [N/m2], ami elég kicsiny érték és ezért gyakorlatban inkább a bar-t használják (1 bar = 100000Pa). Az normális atmoszférikus légnyomás is körülbelül 1bar. Pontosabban 1atm = 1,01325bar. A természetben és a műszaki valóságban a nyomás nagyon széles skálán változik 10-9 Pa – 109 Pa, illetve 18 dekád tartományban. Természetesen egy adott mérőműszer ennek az óriási tartománynak csak egy töredékét öleli át. Attól függően, hogy a nyomást milyen rendszerben érzékeljük, létezik mechanikai nyomás (p = F / S), hidrosztatikus nyomás (p = ρ*g*h), kinetikai nyomás p = 2/3 * E/V és termodinamikus nyomás. A nyomásmérők valójában két nyomás (a mért és a referens) különbségét érzékelik. Ennek alapján (az ábrának megfeleően) három esetet különböztetünk meg. -Abszolut nyomás – a referens nyomás nulla (vákum) pabsz -Relatív nyomás – a referens nyomás a külső légnyomás prel = pabsz - patm -Differenciális nyomás (nyomáskülönbség) Δp = p2 - p1 4.6.1 Kapacitív nyomásérzékelők A kapacitív nyomásérzékelők a kapacitás változását érzékelik. A kondenzátor egyik fegyverzete a diafragma (rugalmas fém-acél), amely a nyomás hatására deformálódik és ezáltal változik a kapacitás. Az első képen az abszolút pabsz nyomást mérjük és a C kapacitás változik. A másodikon a nyomáskülönbséget (Δp = p2 - p1), vagy a relatív (prel = pabsz - patm) nyomást mérhetjük. Ha a C1 kapacitás értéke növekszik a akkor C2 csökken, vagy fordítva. A kapacitás változást mérőhíddal (Wheatstone–híd) lehet érzékelni. A hidat magas frekvenciáról kell táplálni (5-100kHz). Mivel a kapacitások értéke túl kicsiny, a mérésnél problémát jelenthetnek a vezetékek parazita kapacitásai. A kapacitív nyomásérzékelők egyszerű konstrukciónak számítanak. Statikus és dinamikus (gyorsan változó) nyomások mérésére is alkalmasak és viszonylag olcsón beszerezhetők. Ezzel a módszerrel (különböző vastagságú diafragmák alkalmazásával) 100 - 108Pa értékeket lehet mérni, körülbelül ±0,2% pontossággal. 4.6.2 Az nyomás mérése membránokkal A membránok elasztikus anyagok, amelyek nyomás hatására deformálódnak (pl. kinyúlnak) de a nyomás megszűnése után újra visszatérnek alaphelyzetükbe. Tehát mi valójában az elmozdulást kell hogy érzékeljük. Kis elmozdulás esetén az erő az elmozdulással arányos. A membrán anyaga rendszerint gumi vagy műanyag. A rugalmas membránoknál a nyomásból származó erővel a membránban ébredő feszültségek tartanak egyensúlyt. Az elmozdulás mértéke igen kicsiny és ezért a mutatót (vagy elmozdulásmérőt) nagy mechanikai áttételen keresztül kell forgatni (példa a képen). A laza (lapos) membránoknál a nyomás a membránra fejti ki az erejét, de az egyensúlyt a membrán másik oldalára illeszkedő rugó biztosítja. A „laza” membrán valójában egy dugattyúban mozog. Ezeknél az elmozdulás mértéke jóval nagyobb. A csőmembránok rugalmas fémből készülnek és bordázottak. A csőmembrán egyik végén zárt a másikon pedig csatlakozik a fluidhoz és a belsejében ható nyomás hatására harmonikaszerűen kinyúlik. A 35 / 159


harmonikaszerű kivitel miatt az elmozdulás mértéke sokkal nagyobb mint az előző két típusnál. Hűtőberendezésekben, vízmelegítőkben stb. használják. A képen egy rugalmas membránnal működő manométert láthatunk. A membránokat különböző módon betokozhatjuk: -Az egyik oldalára a fluid nyomása hat a másikra a külső légnyomás (prel = pabsz - patm) -Az egyik oldalára az egyik fluid nyomása hat a másikon pedig vákum van (pabsz) -Az membrán oldalaira két különböző fluid nyomása hat (Δp = p2 - p1). A műszer ekkor a nyomáskülönbséget méri (differenciális manométer). 4.6.3 A Burdon cső A Burdon cső is az elmozdulás alapján méri a nyomást. Az egyik legrégebb óta használt mérőátalakító, 1849-ben szabadalmaztatták, és még ma is alkamazzák. A félkőrbe hajlított cső keresztmetszete ellipszis alakú. Ez jelentős belső mechanikai feszültséget idéz elő a csőben. A nyomás hatására a cső „egyenesebb” alakot próbál felvenni. Az így létrejövő elmozdulást az előbbiekben már felvázolt elmozdulásmérő valamelyikével érzékelhetjük. Mivel a Burdon cső egy finomabb nyomásmérőnek számít, ennek megfelelően a gyártók az elmozdulás érzékelésére is drágább eszközt használnak. Leginkább a differenciális transzformátort használó elmozdulásmérőt. Gyakran a mérőeszköz részét képezi a jelformáló elektronika is. Régebben az elektronika, a kimenőjelet áramjel formájában biztosította (0-20mA vagy 4-20mA). A mai készülékek viszont mikroprocesszoros elektronikával rendelkeznek és a kimenőjelet is digitális (soros) formában szolgáltatják. A Burdon cső is egy szép példa a régi mérési módszer és a korszerű elektronika szimbiózisára. Iskolánkban is van egy Burdon csöves manométer, 10bar-ig mér. Van mutatója (mint az ábrán), de elektromos jelet nem tud adni, mivel nincs benne elmozdulásérzékelő. 4.6.4 Speciális nyomásérzékelők A piacon mind több viszonylag olcsó, elektronikával egybeépített nyomásérzékelő kapható. Kapacitív, piezoelektromos, vagy egyéb elven működnek. Ezekre említünk, a katalógusadatok alapján, két példát: SMD-nyomásérzékelő csip. Az abszolut nyomást érzékeli 20 - 105kPa (0,2 - 1,05bar) tartományban (megfelel az atmoszférikus légnyomás mérésére). A tápfeszültség 5VDC. A csippbe integrált műveleti erősítő, a nyomástól függően 0,3 - 4,9 VDC kimenőfeszültségat ad. Ezt a kimenetet közvetlenül köthetjük a mikrokontroller analóg bemenetére (A/D átalakítójára). Pontossága a teljes mérési tartományra vonatkoztatva 1,6%. A -40°C -- +125°C hőmérséklettartományban használható. Ára 22,75 Euro. Ez a nyomásérzékelő csip fontos eleme lehet egy házi meteorológiai állomásnak. Diplomamunka! Differenciális nyomásérzékelő. A nyomáskülönbséget méri, két bordáscsatlakozóval a fluidokhoz vezető csövek bekötésére. A nyomás-különbség mérési tartománya Δp=p2-p1=0-10kPa =0-0,1bar (1bar-os is kapható). A maximális nyomáskülönbség nem haladhatja meg az Δpmax=75kPa értéket. A tápfeszültség 10-16VDC. A kimenőfeszültség 2,5mV/kPa (max: 25mV). Ez azt jelenti hogy insztrumentációs erősítőre van szükség, mielőtt a jelet a mikrokontrollerbe bevezetnénk. A mérőeszköznek négy elektromos kivezetése van: 1.GROUND 2.+OUTPUT 3.+SUPPLY 4.OUTPUT. Ára 30,65 Euro. Ezzel az érzékelővel a tartályokban lévő folyadékszint mérésére is megoldható (lásd szintmérés a hidrosztatikus nyomás alapján) max. 1m magasságú vízoszlopra. A tüdőnyomás (ki mennyit bir fújni) ellenörzésére is megfelel, sőt a tüdőkapacitás mérése is közvetett úton megvalósítható. Diplomamunka!

36 / 159


4.6.5 Nyomáskapcsoló (preszosztát) Csak küszöbértéket érzékel, azaz ON/OFF (diszkrét-bináris) működésű. Kimenete lehet relés (érintkezők) vagy tranzisztoros. Maga a nyomás érzékelésére a fent leírt módszerek szinte bármelyike alkalmazható. A működtetésre azonban leginkább csőmembránokat használnak. A csőmembránok a nyomás hatására nagyobb elmozdulást tesznek meg, ami elegendő a mechanikai érintkezők közvetlen ki-be kapcsolgatására. A képen egy differenciális preszosztátot láthatunk, két csőmembránnal és egy rugóval. A nyomáskülönbség küszöbértékét egy mechanikus csavarral lehet beállítani. Ugyanilyen elven működhetnek a termosztátok is. A képen az érzékelő bemeneteire kapiláris „termoszondák” vannak kapcsolva. A hőmérséklet hatására a kapiláris csőben nyomás keletkezik ami a csőmembránt mozdítja el. A kapilárisok hossza az 1 métert is meghaladhatja, és ezért maga a termosztát távolabb lehet a szondáktól. Preszosztátot használunk a hidroforok vezérlésére, hütőberendezésekben, biztonsági célokra, de a mosógép vízszintjét is egy preszosztát ellenőrzi (hidrosztatikus nyomás). Megjegyzés: A csőmebránokat még manapság is előszeretettel alkalmazzák a hűtő és fűtőberendezések automatizálására. Nemcsak a mérést (érzékelést) valósítják meg segítségükkel hanem magát a teljes szabályozási kört is. Tehát a különbségképző szervet, szabályozót (erősítő), és a végrehajó szervet (szelep) is, dacolva a mikrokontrolerrek térhódításával.

4.7 A folyadékszint mérése A szintmérés célja: nyitott vagy zárt tartályokban a folyadékszint magasságának a mérése. Szintmérőket, de főleg szintkapcsolókat (nívósztát) az ömlesztett anyagok (búza, liszt, cukor, cement stb), szintellenőrzésére is használnak (pl. búzasiló). A szint mérését visszavezethetjük a hidrosztatikus nyomás, vagy az út mérésére. A kapacitás (elektromos) változását is kihasználhatjuk, de más mérési és érzékelési lehetőségek is léteznek (pl. ultrahang). 4.7.1 A szint mérése a hidrosztatikus nyomás alapján A folyadékoszlop hidrosztatikus nyomása: p = ρ * g * h. Tehát nyitott tartályoknál elegendő mérni a fenéknyomást és annak alapján ki lehet számolni a szintet. Zárt tartályoknál a fenéknyomás és a tartályban uralkodó nyomás különbségét kell mérni Δp = p2 - p1. Ezekre a célokra az imént már felvázolt nyomásérzékelő (vagy nyomáskülönbségérzékelő) használható. A képen a fizikai elv jobb szemléltetése végett U-csöves manométert is rajzoltunk. Természetesen a szint kiszámításánál figyelembe kell venni az adott folyadék sűrűségét. A képen is észrevehetjük, hogy a higannyal Hg töltött U-csöves manométer 13,6-szor kisebb elmozdulást mutat a víz szintjéhez képest. A gyakorlatban a mérőrendszer üzembehelyezésekor kell beállítani a mérőátalakítón a megfelelő paramétereket. Az analóg technikával megvalósított elektronikánál erre a célra potencióméterek szolgálhatnak, ha viszont mikroprocesszoros elektronikával dolgozunk, a rendszer paraméterezése sokkal elegánsabban megoldható. Például néhány nyomógombbal és egy kisebb LCD kijelzővel. A nyomásérzékelőknél már bemutatott viszonylag olcsó (ára 30,65 Euro) differenciális nyomásérzékelő is felhasználható a szint mérésére. Ez is lehet egy diplomamunka tárgya. Mivel a 37 / 159


legnagyobb nyomáskülönbség amit ezzel az eszközzel érzékelni lehet Δp=p2-p1=0-10kPa =00,1bar, az azt jelenti, hogy 0 és 1m közötti vízszintet tudunk vele mérni (a 10m magas vízoszlop nyomása körülbelül 1 bar). A rendszerbe illene még egy elektromágneses szelepet is iktatni (a régi mosógépről le lehet szerelni) valamint egy áramlásmérőt is (a későbbiekben tárgyaljuk). A vízszintet ekkor úgy is ellenőrizhetjük (persze csak ha pontosan ismerjük a tartály térfogatát), hogy a teljes térfogatból rendszeresen levonjuk a kiömlő (például eladott) folyadék mennyiségét. Ha a két különböző módon mért (számított) szint között nagy különbség mutatkozna, fennáll a lopás gyanúja. 4.7.2 Egyszerű úszós szintmérő A folyadékszintre úszót helyezünk, amely a folyadékszinttel fel-le mozog. Az úszóra szerelt útmérő (például inkrementális adó) a szintet méri. A képen csak a mérési elv bemutatása a cél, ezért az úszóra nem útmérőt, hanem csak egy mutatót rajzoltunk. Az úszós szintmérők más mechanikai megoldásokkal (mechanikai áttételekkel) is kivitelezhetők (lásd a WC-öblítő). Ilyen elven működő szintmérőt viszonylag mi is könnyen megszerkeszthetünk, és témája lehet néhány diplomamunkának. Megszerkesztéséhez egy kis fizikai számolgatásra is szükség lehet (pl. Archimédesz törvénye). Fontos az úszó anyagának (nagyságának, fajsúlyának) a kiválasztása. Ismerni kell a folyadék fajsúlyát (vagy sűrűségét) is. Meg kell határozni az ellensúly tömegét. Ki kell gondolni a megfelelő mechanikai áttételeket. Ezenkívül a mozgó rendszernek elegendő „energiája” kell hogy legyen, például egy potencióméter forgatására. A potencióméter csúszkájáról levett feszültség A/D átalakítás után a mikrokontrollerben kerülhet feldolgozásra és továbbítható a vele összekötött PC számítógépnek. Szép példa a régi és az új (technika) szimbiózisára! 4.7.3 Kapacitív szintmérők (a számítási táblázat fakultatív) A kondenzátorok kapacitása a fegyverzeteket elválasztó szigetelőanyag relatív permittivitásával εr arányos: C (x) = C0 * [ 1 + ( εr - 1 ) * x / H ]. A légrésnek minél nagyobb részét tölti ki a folyadék (xH) annál nagyobb a kondenzátor kapacitása. A maximális érték (ha x=H) a csőkondenzátoroknál: Cmax = 2 * π * ε0 * εr * H / ln (d1 / d2) a síkondenzátoroknál pedig az ismert képlet: Cmax = ε0 * εr * S / d (S=H*b) A kapacitás mérésére különféle módszereket használunk (lásd. villamos mérések), de leggyakoribb a nagyfrekvenciáról (pl. 100kHz) táplált hídkapcsolás alkalamazása. Kondenzátorelektródokat kétféleképpen lehet kialakítani: - A kondenzátor egyik fegyverzete maga a tartály (természetesen csak akkor ha fémből van), a másik fegyverzet pedig szigetelőből készült védőcsőbe helyezett fémelektród. - A másik elrendezés, amikor a kondenzátor mindkét fegyverzete a mérőátalakító része. A két fémből készült fegyverzetet külön-külön el kell szigetelni, mert a folyadék nem mindig jó szigetelő, de az elszigetelés érintésvédelmi szempontból is indokolt. Leginkább koaxsziális elrendezésű csőkondenzátorokat használnak. Ez a módszer az áramló folyadékok szintjének a mérésére is alkalmas. A mérés pontossága 2-3%. A víz relatív permittivitása elég nagy (εr = 81), de még így is viszonylag kis értékű kapacitásokat nyerünk. Az átmérők különbségét, illetve a rést (d1-d2) is kis értéken kell tartani (pl. az átmérők aránya d1/d2 < 1,5). Ezzel is növelhetjük a kapacitás értékét. A túl kis rés viszont azt 38 / 159


eredményezheti, hogy a folyadék nem tud a fegyverzetek közé behatolni, és az atthéziós effektus is komoly gondokat okozhat. A kapacitív szintmérő megszerkesztése, természetesen a jelfeldolgozó elektronikával együtt (frekvenciagenerátor, Wheatstone–híd, erősítők, mikrokontroller) is témája lehet különböző diplomamunkáknak. A lenti táblázatokban egy rövid útmutatót adunk a szükséges számításokhoz. Táblázatkezelő programmal (Excel) a számolgatást automatizálhatjuk, és próbálkozhatunk különböző -9 paraméterekkel. A levegő dielektromos állandója majdnem egyezik a vákuméval ε0 = 10 /36π = -12 8.855*10 [A*sec/V*m]. A vízé pedig ettől 81-szer nagyobb. Csőkondenzátor

C = 2πεH / ln(d1/d2)

Z=1/2πfC

I=U/Z

H

d1

d2

εr

ε0

C0

Cmax

f

Zo

Zmax

U

Io

Imax

[m] 1,0 1,0 1,0

[cm] 2,0 10,0 20,0

[cm] 1,0 9,0 19,0

víz 81,0 81,0 81,0

[Asec/Vm] 8,85E-12 8,85E-12 8,85E-12

[μF] 8,03E-05 5,28E-04 1,08E-03

[μF] 6,50E-03 4,28E-02 8,79E-02

[kHz] 5,0 5,0 5,0

[kΩ] 396,56 60,28 29,35

[kΩ] 4,90 0,74 0,36

[V] 24,0 24,0 24,0

[mA] 0,06 0,40 0,82

[mA] 4,90 32,25 66,25

C=εHb/d

Síkkondenzátor

Z=1/2πfC

I=U/Z

H

b

d

εr

ε0

C0

Cmax

f

Zo

Zmax

U

Io

Imax

[m] 1,0 1,0

[cm] 10,0 20,0

[cm] 1,0 0,5

víz 81,0 81,0

[Asec/Vm] 8,85E-12 8,85E-12

[μF] 8,86E-05 3,54E-04

[μF] 7,17E-03 2,87E-02

[kHz] 5,0 5,0

[kΩ] 359,47 89,87

[kΩ] 4,44 1,11

[V] 24,0 24,0

[mA] 0,07 0,27

[mA] 5,41 21,63

4.7.4 Szintkapcsoló (nívósztát) Csak küszöbértéket érzékel, azaz ON/OFF (diszkrét-bináris) működésű. A folyadékszint megjelenését érzékelhetjük, uszóval, optoelektronikai elemekkel, ultrahang alkalmazásával, az ellenállás értékének a megváltozásával stb. Kimenete lehet relés (érintkezők) vagy tranzisztoros. A tartályokban is elegendő lehet a szintet csak néhány pontban ellenőrizni (kiürült, tele van-nehogy túlcsorduljon). Egy másik példa: amikor kutakba sűllyesztett búvárszivattyúkat kell megvédeni attól, hogy nehogy „szárazon” dolgozzanak. Bizonyos helyeken pedig arra van szükség, hogy a víz jelenlétét ellenőrizzük, például a fürdőszobában. Ilyeneket olcsón lehet vásárolni és hozzákapcsolhatjuk a ház alarmrendszeréhez.

4.8 Az áramlás mérése Az áramlás mértéke a csővezetéken egységnyi idő alatt átáramló folyadék vagy gáznemű anyag mennyisége. Mértékegysége [m3/min], [lit/s], [m3/óra] stb. vagy [g/s], [kg/min] stb. A folyadékoknál, mivel összenyomhatatlanok, gyakorlatilag mindegy, hogy tömeggel, vagy térfogattal számolunk -e. A gázok esetében nem mindegy, hogy milyen nyomáson mérjük az átáramló gáz térfogatát. Az áramlás mérése is nagyon fontos a technológiai folyamatok irányításánál. Nem csak az elszámolás végetti mérések jelentősek (vízóra, gázóra), hanem a folyamatos adagolások is így autómatizálhatók. Több szerző az áramlásmérés címszó alatt említi az aprított (pl. szén), vagy ömlesztett (cukor, liszt, cement stb. ) anyagok „áramlásának” a mérését is. Erre az esetre a szalagmérleg példáját fogjuk felhozni. 4.8.1 Turbinás áramlásmérő A csőben áramló fluid (víz, bor, sör stb.) egy turbinát forgat. A turbina rótorán állandó mágnesek helyezkednek el. A forgó mágnesek a sztátoron elhelyezett tekercsben feszültséget indukálnak. Ezeket az impulzusokat kell számolni, hogy az áramlásról, vagy az elfogyasztott fluid mennyiségéről információt kapjunk. Az impulzusfrekvencia az áramlással, az impulzusok száma pedig az átáramló mennyiséggel arányos. Egy adott turbinás áramlásmérőnek a mérési tartománya elég kicsiny (pl. 39 / 159


1:10), de a különböző típusok (kicsiktől a nagyokig) nagy értéktartományt átfognak 10-4 m3/s 1m3/s. Iskolánkban is egy olcsó típust használunk. Ára 18,43 Euro. Műszaki adatai a következök: Az impulzusok száma 1880Imp/lit. A tápfeszültség 4,5-24VDC. A kimenet terhelhetősége 13mA. Maximális nyomás 0,3bar. Bekötésére három vezetékre van szükség, VCC a táp, GND a közös (nulla) és OUT a kimenet. Ha a tápfeszültség 5VDC akkor a kimenet közvetlenül köthető a mikrokontroller lábaira. Erre általában nem a standard portlábat, hanem a mikrokontrollerbe épített gyorsszámlálót használjuk. Az áramlás számítása bizonyos időt vesz igánybe. Be kell gyűjteni egy meghatározott számú impulzust, és elosztani az eltelt idővel, vagy pedig a kapuzási időt kell állandó értéken tartani (hasonlóan mint az inkrementális útadónál). Az átáramló mennyiség számolásához pedig elegendő az impulzusokat inkrementálni, azaz egymás után összeadogatni. Problémát jelenthet, hogy az elektromágneses szelep (csap) elzárásakor, a turbina a tehetetlenség következtében még néhányat fordul, és többet számol a valódi értéknél. Ezt a hibát szoftveres úton lehet kiküszöbölni. 4.8.2 Az áramlás mérése nyomáskülönbség alapján (fakultatív) Ha egy csővezetéket leszűkítünk (Ventouri cső), akkor a kisebb keresztmetszetű részen az áramlás sebessége megnövekszik (Q=S1*v1=S2*v2). Ahol pedig a folyadék gyorsabban áramlik a statikus nyomás a dinamikus nyomás hatására (rovására) lecsökken (Bernoulli egyenlet). Könnyen bebizonyítható, hogy az áramlás a statikus nyomások különbségének (Δp=p1-p2) a négyzetgyökével arányos. Az áramlás mérésére elegendő az előbbiekben már említett valamelyik differenciális nyomásmérőt alkalmazni. A nemlinearitás egy inverz funkció (y = K1 * x2) közbeiktatásával kiküszöbölhető. Természetesen a mérés kis áramlásoknál pontosabb fog lenni mint a nagyobbaknál. Ez a módszer az összenyomhatatlan folyadékok (a gázokra nem) áramlásmérésére alkalmazható. 4.8.3 Termikus áramlásmérő (fakultatív) A termikus áramlásmérő egy melegítőből (elektromos hőfejlesztő) és két hőmérsékletérzékelőből áll, amelyek a melegítő utáni és előtti hőmérsékletkülönbséget mérik ΔT = T2 – T1. A melegítő a csővezetékben helyezkedik el és a fejlesztett hőenergiát E[J, Ws] az áramló Q[m3/s] folyadéknak adja át. Az átadott energia az adott folyadék (c–fajhő, m[kg]–tömeg, ρ[kg/m3]–sűrűség, V[m3]– térfogat, hőmérsékletét fogja megnövelni: E = c m ΔT = c V ρ ΔT Az idővel elosztva: E/t=cVρΔT/t Mivel: Q = V/t és P = E/t  P = c Q ΔT  Q = P / (c ΔT) 40 / 159


Tehát az áramlás jele Q[m3/s] egyenesen arányos a melegítő teljesítményével P[W] , és fordítottan a mért hőmérsékletkülönbséggel ΔT[°C]. A pontos mérés érdekében a melegítő teljesítményét (P=UI=I2R=U2/R) , illetve feszültségét is állandó és pontos értéken kell tartani. A mérési elv ugyan egyszerűnek tűnik (diplomamunkaként is kivitelezhető), de azért mellékzöngéi is vannak. A figyelmesen megszerkesztett készülékkel 2% sőt 0,5% -os pontosság is elérhető. Az átfogható mérési tartomány (minden típust beleértve) 10-9 től 10-2 [kg/s]. A mellékelt ábrán a hőmérsékletek mérésére az iskolánkban is használt AD592-es típusjelzésű IC-t használjuk, melynek mérési tartománya -25°C tól 105°C –ig terjed. 4.8.4 Induktív (elektromágneses) áramlásmérő Ha egy villamos vezetőt mozgatunk mágnes térben a mágneses erővonalakra merőlegesen (vagy legalább is nem párhuzamosan), akkor a mozgás irányára és a Ui = B * l * v mágneses mezőre is merőleges irányú villamos feszültség indukálódik a vezetőben. A feszültség nagysága a mágneses mező erősségével és a mozgás sebességével arányos. Ez a jelenség a Faraday törvényben megfogalmazott indukció egyik válfaja ( Ui = B * l * v ). A mágneses indukciós áramlásmérő (vagy mennyiségmérő) olyan műszer, ahol egy csőben villamosan vezető folyadék (vagy folyadékszerű anyag) mozog mágneses térben. A folyadékban indukált feszültség a mérőjel. Az ábránkon a mérés elve látható. Mérőcső: A csővezetékbe egy azonos átmérőjű csőszakaszt építünk be, ez a mérőcső. A cső szerkezeti anyaga olyan - nem mágnesezhető - nemesacél amely a mágneses erővonalak számára átjárható, tehát a cső belsejében kialakulhat a mágneses tér. Mágnes tér (B): A mágnes teret elektromágnes alkalmazásával hozzuk létre. A cső külső falára, egymással szemben két tekercset helyezünk, ezekbe villamos áramot vezetve a tekercsek körül mágneses mező alakul ki. Mozgás (v): A folyadék a mágneses mezőre merőlegesen, a csőtengely irányában folyik. Ha például a cső átmérője (szaknyelven FI) d=250mm, az áramlás pedig Q=600liter/s, akkor a víz átlagos sebessége v= lesz. Indukált feszültség (Ui): Ha vízszintes a mérőcső helyzete, a mágneses térerő pedig a csőben függőleges, (a két tekercs között) az indukált feszültség iránya mindkettőre merőleges, az ábrán X tengely irányú. Tehát a vízszintes átmérőbe ( l illetve d), egymással szemben beépített elektródapárról tudjuk a feszültséget az elektronika mérőjel bemenetére elvezetni. 4.8.5 A szalagmérleg A szalagmérleg az aprított vagy ömlesztett szilárd anyagok mennyiségét méri. Az ilyen nemű anyagokat szállítószalagokon továbbítják a megfelelő technológiai egységekhez (például a szén szállítása és az adagolása, a külszíni fejtésű bányákban és hőerőművekben). A szalogon áthaladó anyag mennyiséget nem csak elszámolási (gazdasági) okok miatt kell mérni, hanem a tecnológiai keverékek megfelelő arányát is csak mérés révén lehet pontosan beállítani és automatizálni. A szalagmérleg folyamatosan méri a szalagon levő anyag súlyát (tömegét). Ez megvalósítható a szalagok alá helyezett görgőkre ható nyomóerő mérésével. A mérést mérőszalagokkal vagy elmozdulásmérővel tudjuk elvégezni. Ha a szalag sebessége változtatható, akkor azt is mérnünk kell. Például inkrementális adó – enkóder, vagy tachogenerátor segítségével. Az áthaladó anyag össz mennyisége a pillanatnyi súly (tömeg) és sebesség szorzatának az időbeni integrálja. Mivel a jelek (tömeg és sebesség) egy mikrovezérlőben futnak össze, a szükséges számításokat programozás révén könnyen megvalósíthatjuk. A súly (tömeg) és a sebesség digitalizált jeleit összeszorozzuk és az így kapott értékeket (ez az áramlás mértéke) bizonyos időközökben összeadogatjuk (inkrementálás bizonyos időközökben).

41 / 159


4.9 A fény érzékelése (fotometria) A fény érzékelése nem csak a fényfluxus-fényáram (lumen), fényerősség (candella), megvilágítás (lux) mérésénél fontos, hanem alapját képezi más fizikai mennyiségek mérésének is, mint pl. a már említett mérőléc, vagy a folyadékszint mérése stb.

A fény mint azt fizikából tudjuk, elektromágneses hullám. A fény hullámtartománya (spektruma): 380-760nm = 0,38-0,76μm, ami az elektomágneses hullámoknak egy keskenyke tartománya. Minden színnek egy adott hullámhossztartomány felel meg. A legkisebb hullámhossz (legnagyobb frekvencia) az ibolya, ezt követi a kék, zöld, sárga, narancssárga és a vörös, amelynek a legnagyobb hullámhoszz (legkisebb frekvencia) felel meg. A képen (emlékeztetőül) feltüntettük az elektromágneses hullámok tarományát. Az emberi szem a sárga színt érzékeli legjobban, az ibolyát és a vöröset legkevésbé. Ezért a sárga szinű fényforrásoknak (nátriumlámpa) legnagyobb az energetikai hatásfoka (120 lm/W). Az ibolyántúli UV és az infravörös IR sugarakat az emberi szem már nem érzékeli. A szem érzékenysége tulajdonképpen az oka annak, hogy a fizikusok a fényre külön alapmértékegységet határoztak meg. Tehát a fényáram nem wattokban, hanem a látható hullámtartománynak és a szem érzékenységének megfelelően átképezve, lumenban van meghatározva. Az alpmértékegység valójában a candella (fényerősség). A lumen és a lux pedig leszármaztatott mennyiségek. Ha egy fényforrás csak egy adott hullámhosszon sugároz, akkor monokromatikus fényről beszélünk. A fehér fény az összes szín (hullámhossz) keveréke. A fehér fényt három monokromatikus fény keverésével is előállíthatjuk ( RGB – vörös, zöld, kék ). Számunkra érdekesek még az IR (infravörös) sugarak is. Ezek már a hősugarak tartományába tartoznak. Távvezérlésekre használják, de megvilágítási célokra is alkalmazzák. Az emberi szem ugyan nem látja a besugarazott tárgyakat, de az IR hullámokra érzékeny kamera igen. IR diódákat és tranzisztorokat is olcsón lehet vásárolni. Érdemes még megemlíteni, hogy amikor a fényt használjuk a jel átvitelére, a galvanikus elválasztás is automatikusan megvalósul. A fény érzékelésére fényellenállásokat, fotodiódákat, és fototranzisztorokat használunk. Ezek nagyon sok változatban és igen olcsón kaphatók. 42 / 159


4.9.1 Fényellenállás A fényellenállások félvezetők, de nem tartalmaznak p-n átmenetet. A megvilágítás hatására ellenállásuk megváltozik. A félvezető kristályrácsának atomjaihoz kötött elektronok a fény hatására felszabadulnak és mint szabad töltéshordozók a feszültség hatására mozgásba jönnek és a zárt áramkörben villamos áram indul meg. A fényellenállások anyaga a kadmiumszulfid (CdS, legérzékenyebb az 520nm hullámhosszú fényre) és a kadmiumszelenid (CdSe, max. érzékenyég 730nm-nél). A kadmiumszulfid érzékenysége a fényre csaknam teljesen egybeesik az emberi szem érzékenységével. Az ellenállásuk a fény hatására ekszponenciálisan csökken. Az ábrán a kordinátatengelyek logaritmikus beosztásúak! A megvilágítás változására lassan reagálnak (néhány másodperc), az ellenállás értéke a hőmérséklettől is függ és jellemző az úgynevezett memória effektus. Ezért pontos mérésekre nemigen alkalmasak. 4.9.2 Fotodióda A fotodiódáknak az inverz árama függ a megvilágítás mértékétől. A képen egy fotodióda jelleggörbéje látható, az (inverz) áram I értéke az (inverz) feszültég U függvényében, ahol a megvilágítás E értéke a paraméter. Észrevehető, hogy az inverz áram lineárisan függ a megvilágítástól. A fotodióda nagyon gyorsan válaszol a fényerősség megváltozására (100 ns  10MHz). A szílíciumdióda legérzékenyebb a 900nm-es elektromágneses hullámokra. Ez már kívül esik a látható tartományon, a germániumdiódának pedig az érzékenysége az 1500nm-nél a legnagyobb. A piacon sok típus közül válogathatunk, például a BPW43 jelölésű. Felbontása 15μA/lx. A megengedhető maximális inverz feszültség 32V. Ára 1,25 Euro. Megjegyzés: A fotodiódákat ne keverjük össze a LED diódákkal. A fotodióda a fényre reagál, míg a LED dióda a rajta keresztülhaladó áram hatására fényt bocsát ki. Tokozásuk és külső kinézetük gyakran teljesen egyforma. 4.9.3 Fototranzisztor A fototranzisztornál a kollektor-bázis vonalba egy fotodióda van integrálva, amely a tranzisztor bázisáramát állítja elő. A bázisáramot a tranzisztor felerősíti, amely a kollektor-emmiter vonalon áll a rendelkezésre. A fototranzisztorokat általában egy olcsó LED-házba (3 vagy 5mm átmérő, 2,54mm raszter) építik és a bázist gyakran ki sem vezetik. A fototranzisztor már lassabban reagál a fény változására mint a fotodióda (a határfrekvencia kb. 250kHz). Fotodarlingtonokat is gyártanak (két kaszkádba kötött tranzisztor). Ezeknek az erősítése még nagyobb, de a határfrekvencia kisebb. A képen egy olcsó fototranzisztor BPW40 jelleggörbéjét láthatjuk, IC=f(UCE) különböző megvilágítási értékekre. Ugyanolyan mint a normális tranzisztoroké, csak a bázisáram IB helyett a jelleggörbén a megviágítás szerepel. Világítástechnikából pedig tanultuk a megvilágítás előírt értékeit: külső tér 10-20lx, konyha 100lx, tanterem 200lx, nappal kint 3000-10000lx stb. A következő képen egy fényérzékelő relére láthatunk megoldást. A BP103BC (vagy a BPW40) típusú fototranzisztor egy olcsó 43 / 159


BC547C (az iskolában is használjuk) tranzisztort kapcsol, az pedig egy 12V-os relét. Ilyen reléket mi is használunk az Iskolában. Az elektromágnes ellenállása (12V-os relé esetén) 310Ω, az érintkező pedig 230V, 50Hz tápfeszültségnél maximum 5A-es fogyasztót tud kapcsolni. Hasonló megoldást használnak az utcai világítás automatikus ki-bekapcsolására is. A jelet egy insztrumentációs erősítőn (vagy csak közönséges műveleti erősítő) keresztül a mikrokontroller A/D átalakítójára is vezethetjük. Egy kis jelfeldolgozás után (programozás) a megvilágítás értékét megjeleníthetjük egy LCD diszpléjen, vagy pedig a PC számítógép monitorán. Ez is lehet egy diplomamunka témája. A haszon még az lehet belőle, hogy a tanteremben bármikor ellenőrizhetjük az előírt megvilágítás értékét (200lx???). 4.9.4 Speciális fényérzékelő IC-ék (fakultatív) A gyártók gyakran a fototranzisztor mellé más elektronikus elemet is integrálnak. Ezzel mentesítenek bennünket a külső áramkörök használatától, lehetővé téve az elem közvetlen összekötését a mikrokontrolerrel. Iskolánkban is egy ilyen IC-t használunk. Műszaki adatai a következők: Típusjelzése TSL260. A tápfeszültség 3-9VDC. A kimenőfeszültség (9VDC tápnál és 10kΩ terhelőellenállásnál) sötétben 3mV , világosban 8V. Ez azt jelenti, hogy egy feszültségosztó közbeiktatásával, közvetlenül összeköthetjük a mikrokontroller valamelyik analóg bemenetével. Legérzékenyebb a 930nm-es elektromágneses hullámokra. A mérőelemnek három kivezetése van: 1. GND 2. +VDD 3. OUT. Hőmérséklettartomány - 25°C tól + 85 °C . Ára 5,09 Euro. 4.9.5 Fénysorompók Szinte mindegyik fizikai mennyiség mérésénél szóltunk a bináris, tehát ON/OFF működésű mérőátalakítókról is. A fénysorompók is ilyenek. A fentiekben tárgyalt fényérzékelő elemen (pl. fototranzisztor) kívül szükség van egy fényforrásra is. Az ilyen célokra használatos fényforrásokból is nagy a választék, kezdve a legkevesebb fényt szolgáltató LED diódáktól. Ha a fény utjába akadály kerül azt a fényérzékelő elemhez kötött billenőfokozat (pl. a már említett fotorelé) érzékeli. Több fajta elrendezés lehetséges: 1. Egyik oldalon van a fényforrás, másikon pedig a fényérzékelő elem. 2. A fényforrás és az érzékelő is ugyanazon az oldalon van (egy közös tokban), a másik oldalon pedig egy tükör (vagy prízma) van elhelyezve. 3.Ugyanaz mint a második, csak nincs tükör, hanem a fény az érzékelt tárgyról verődik vissza. A fénysorompók működését a külső fény (pl. nappali) megzavarhatja. A fényforrást úgy kell kiválasztani, hogy a maximális sugározási frekvencia (ill. hullámhossz) egybeessen a fényérzékelő elem FE maximális érzékenységi hullámhosszával. IR sugarakat is használhatunk, akkor azt az ember nem fogja látni. A fénysorompókat széles körben alkalmazzák, pl. alarmrendszereknél vagy a fizetős parkolóknál így érzékelik a járműveket, az automata csomagoló- és palackozógépeknél pedig számlálásra és a pozíció meghatározására használják stb. A folyadék szintjét is ellenőrizhetjük fénysorompóval, vagy be van építve az inkrementális adóba (lásd az út mérése inkrementális adóval). A pontosabb és nagyobb távolságokat befogó fénysorompós érzékelőrendszerek egyéb optikai elemeket (lencse, prízma, rács) is tartalmaznak, és működésük a zavaró hatások ellenére is biztonságos. Olcsón lehet vásárolni egy közös vázra (alapra) szerelt fénysorompót (a képen az első elrendezés), ahol a fényt szolgáltató LED-dióda és a fototranzisztor közötti távolság (rés) mindössze néhány miliméter vagy centiméter. A résben egy fogazott tárcsát forgathatunk és így számolhatjuk a megtett utat vagy az átlagsebességet (lásd inkrementális adó). Akinek kedve van diplomamunkára szerkeszthet egy „gyalogló(futó)szalagot”, természetesen mikrokontrollerrel egybekötve! A fénysorompó típusjelzése CNY37. Bement: GaAs-IR-Lumin LED dióda. Kimenet NPN fototranzisztor UCE= 32V, IF =100mA. Ára 1,51Euro. Megjegyzés: Az optokoppler is fénysorompóhoz hasonló elem, azzal hogy a LED és a fototranzisztor egy közös és zárt tokban van (a külső fény nem tud behatolni). Az optokoppler elektromos jelek galvanikus elválasztására szolgál.

4.10 Vegyi jellemzők mérése 44 / 159


A folyamatban az anyagok nem csak mozognak, hanem keverednek és át is alakulhatnak, azaz vegyi folyamatokon eshetnek keresztül. A vegyi jellemzők is érzékelhetők, mérhetők valamint átalakíthatók elektromos jellé. A gyakorlatban leginkább előforduló vegyi jellemzők: koncentráció, gázösszetétel, pH érték, Redox potenciál stb. Ezen a téren is a szenzorok, mérőátalakítók és mérőműszerek sokaságával találkozunk. A következőkben néhány példát említünk. 4.10.1 A levegő relatív nedvességének a mérése (fakultatív) A levegő tartalmaz bizonyos mennyiségű vízpárát. Nagyobb hőmérsékleten az abszolut vízmennyiség amelyet a levegő befogadhat nagyobb mint kisebb hőmérsékleten. Ezért tapasztalhatjuk, hogy amikor a levegőt gyorsan lehűtjük benne lévő víz egy része kicsapódik. A vegyészeket és a meteorológusokat inkább a levegő relatív nedvességtartalma érdekli, ami megmutatja, hogy az adott hőmérsékleten a telítődéshez (kicsapódás határa) szükséges vízmennyiség hány százaléka van jelen a levegőben. Ha a relatív nedvességtartalom 80%, az azt jelenti hogy a levegő még 20% vízpárát tud felvenni a 100%ból, amikor is megkezdődne a kicsapódás. Ha ezt a levegőt felmelegítjük, és közben nem vesz fel további nedvességet (az abszolút nedvességtartalom marad) akkor a relatív nedvességtartalom csökken. Hűtéskor (ha az abszolút nedvességtartalom nem változik) a relatív nedvesség növekszik. Amikor eléri a 100%-ot a fölösleges vízmennyiség kicsapódik. A levegő relatív nedvességtartalma nagy mértékben kihat bizonyos anyagok elektromos ellenállására, vagy kapacitására (a víz relatív permittivitása εr = 81). Ezek általában higroszkópikus polimer anyagok (a vizet könnyen magukba szívják). A legtöbb relatív nedvességérzékelő ezen az elven működik Ebből az is kiérződik, hogy a mérőeszközök viszonylag lassan reagálnak a változásokra (pl. 5 perc). Az ellenállás illetve a kapacitás (ez a jobb) megváltozásnak értékét Wheatstone híd segítségével lehet kiszűrni, vagy pedig a változó kapacitás egy oszcilátor frekvenciáját változtatja. Tehát a mérést a frekvencia mérésére vezetik vissza. Ezek a szenzorok viszonylag drágák. A legolcsóbbak is (elektronika nélkül) kb. 15Euro-ba kerülnek. A relatív nedveségtartalom szabályozása (pontos értéken tartása) nem csak a lakóterekben érdekes (egészségügyi okok), hanem az ipar sok területén is, mint például a papírgyártás, nyomdák, teksztilipar, élelmiszeripar (hússzárító kamrák) stb. A robbanásveszélyes környzetekben pedig a levegő nedvességtartalmának a fenntarásával lehet csökkenteni a robbanásveszélyt. 4.10.2 A gázösszetétel mérése (fakultatív) A gázok összetételének mérése igen fontos, mert lehetővé teszi a bennük végbemenő vegyi folyamatok pontos vezérlését és szabályozását. Az egyik jó példa a hőerőművek kazánjaiban történő égés szabályozása. Itt a fő feladat a. teljes égés biztosítása. Tekintettel a nagy teljesítményekre (250, 630MW – néhány Szabadkának a fogyasztása) a jó hatásfok biztosítása elsőrendű gazdasági feladat, nem beszélve a környzeti ártalmakról amit a rossz (nem teljes) égés okoz. A teljes égéshez megfelelő mennyiségű levegő, illetve okszigén O2 szükséges. Ha a levegő mennyisége kicsi, széndiokszid CO2 helyett szénmonokszid CO keletkezik. Ugyanannyi szénből kevesebb energia szabadul fel, plusz a környezeti ártalom. Hasonló a helyzet a kénnel is. A túl sok levegő viszont azért nem jó, mert az lehűti a kazánt (a többlet levegőt is fel kell melegíteni) és kihasználatlanul a kéményen keresztül távozik. Ekkor is csökken a kazán hatásfoka. A tapasztalat azt mutatja, hogy a teljes égéshez, a pontosan (matematikailag) kiszámított levegőmennyiségtől, valamivel többre van szükség. Ahhoz hogy a kazánt teljes égésre tudjuk szabályozni, fontos hogy folyamatosan mérjük a kimenőgázok (füst) összetételét, illetve a CO2 , CO, O2 , H2 jelenlétét és arányát. Ha a CO2 melett a CO is jelen van, azt jelenti, hogy kevés a levegő. A CO2 melett az O2 azt jelenti hogy sok a levegő stb. A gázanalizátorok különböző fizikai elven működnek Például a széndioxid CO2 hővezető képessége sokkal rosszabb mint a tiszta levegőé és a szénmonokszidé CO (a környezetvédők már biztos hallották). A lehetséges megoldás a következő: Egy fűtőszálat csőbe helyezünk és elektromos árammal melegítünk ( P=RI2 ). A csövön keresztül átáramoltatjuk a kérdéses füstgázt. Mivel a CO2 majdnem kétszer rosszabbul vezeti a hőt mint a levegő, jelenlétekor a fűtőszál sokkal jobban felmelegszik. Ezzel a mérést visszavezethetjük az ellenállás vagy a hőmérséklet mérésére. A fémokszidos gázszenzorok a következő elven működnek. Egy keramikus anyagra felkenik az adott fémokszidot. Ha két ilyen elemből egy elektródapárt alakítanak ki és az elektródapár közé 45 / 159


bizonyos gáz kerül az elektromos vezetőképesség jelentősen megnő. Ehhez még arra is szükség van, hogy a keramikus anyag 200-400°C–ra fel legyen hevítve. A különböző fémokszidok nagy szelektivitást mutatnak egy adott gázzal szemben. Az érdekesség kedvéért íme két ilyen párosítás: Butángáz – ZnO+Pt katalizátor, vagy Szénmonokszid – SnO2, Cu dotiert. 4.10.3 A pH érték mérése Annélkül, hogy mól-okkal, hidrogén ionokkal, logaritmusokkal és a víz fizikai tulajdonságaival foglalkoznánk (mert a pH értéket így lehet levezetni) megállapítjuk a tényt, hogy a pH érték 1 és 14 között változhat. 1 erős sav 7 semleges (neutrális) folyadék 14 erős lúg A pH érték mérése elektromos feszültségmérésre vezethető vissza. A folyadékban üvegelektródákat szoktak elhelyezni. Az üvegelektródák nagy ohmikus ellenállása miatt speciális műszererősítők alkalmazására van szükség.

4.11 Az idő mérése Egy triviális megállapítással kezdjük: Az idő a folyamatnak nem az állapotát jellemzi. Az időt nem lehet irányítani (a tárgyalását ezért hagytuk a fejezet végére). A folyamatok azonban az időben zajlanak le, és lefolyásukat is tudjuk az időben tervezni. Ezért az idő mérése ugyanolyan fontossággal bír, mint az előzőekben említett bármely más fizikai mennyiség. Az idő mechanikai úton történő mérése ingamozgásokra vezethető vissza. Az így elérhető legnagyobb pontosság 10-5, illetve a legnagyobb hiba kb. 1 sec/nap. Hőmérsékletkompenzált kvarckristályos rezgőkörökkel 10-8 pontosság érhető el, tehát a legnagyobb hiba (60*60*24 *10-8 = 8,64 *10-4) kb. 0,001 sec/nap vagy 0,3 sec/év. Az atomórák „ilyen nagy hibát” csak ezer év múlva gyűjtenének össze. Az irányítástechnikai gyakorlatban nem annyira a pontos időre van szükségünk, hanem inkább időintervallumokra. Ha a pontos időre van szükségünk, akkor azt manuálisan (saját óránkhoz) kell beállítani, esetleg autómatizálhatjuk DC77-es rendszer igénybevételével (hosszú hullámon Németországból sugározott pontos idő). A pontos idő autómatikus beállítására ma már a mobil telefon szolgáltatását is igénybe vehetjük. Az időintervallumok mérésére leginkább a mikrokontroller órajelét, és a mikrokontrollerbe épített valamelyik hardverszámlálót használjuk fel. Pl. ha a 8051-es mikrovezérlő órajelét 12MHz-es kvarckristállyal állítjuk be, akkor egy 12-es frekvenciaosztás után (ez is a mikrokontroller része) rendelkezésünkre áll az 1MHz-es taktusfrekvencia, illetve az 1μs–os időtartam. Ezt a taktusfrekvenciát vezetjük a hardverszámlálóba. A számlálót úgy kell konfigurálni (ez is a program része), hogy amikor tartalma elérte a 100-at (ez minden 100 μs = 0,1ms -ban történik meg) megszakítást kér a mikrokontrollertől. A mikrokontroller megszakítja az alapprogram végrehajtását és végrehajt egy interrupt funkciót, ami mindössze abból áll, hogy egy változó értékét eggyel megnövel (inkrementál). Ha ennek a változónak az értéke 10000 lesz, az azt jelenti, hogy 1 másodperc telt el. Több változó felhasználásával leképezhető a perc, óra stb. Ha a hardverszámláló 8-bites 255-ig tud számolni, utána automatikusan nullázódik és újrakezd. Ezért kell 100-nál (0,1ms), vagy 200-nál (0,2ms) megszakítást kérni és a számlálót nullázni. Ha a hardverszámláló 16 bites a megszakításkérelmeket tehetjük 1000-re (1ms) vagy 10000-re (10ms). Az órageneráló program is lehet egy diplomamunka része (igaz már nagyon sokan megcsinálták), úgy kiépítve, hogy az egy komlett iskolacsengőt alkosson. Ha figyelembe vesszük az érvényes Iskolakalendáriumot is (Mindenszentek, Iskolanap, Téli szünet, Szent Száva, Húsvét stb.), valószinüleg többen el fogják hinni, hogy nem átírásról van szó.

46 / 159


5. Aktorok - Aktuátorok 5.1 Aktorok, beavatkozó szervek, végrehajtó szervek Az aktorok közvetlenül beavatkoznak a folyamat anyag és energia, mozgatási és átalakítási viszonyaiba. Ezt gyakran nagy energiabevitel (ill. anyag) vagy átalakítás utján valósítják meg, de létezhetnek a folyamatnak olyan pontjai is, ahol alacsonyabb szintű beavatkozás is nagy változásokat idéz elő. Használjuk még a végrehajtó szerv kifejezést is. Pontosabb értelmezésben a beavatkozó szervek a beavatkozási lánc első elemét képezik míg a végrehajtó szervek a végelemeit. Az aktorok kifejezés pedig a kettő, együttvéve. A beavatkozó és a végrehajtó szervek (aktorok) lehetnek a még nem irányított folyamat részei is, de gyakran éppen az automatikus irányítás miatt kerülnek beépítésre. A végrehajtó szervek lehetnek ON/OFF működésűek (A szelepet, motrot stb. csak ki-be kapcsolgatjuk), több fokozatban állíthatók - tehát diszkrét működésűek (többsebességű motor), vagy folyamatosan (fokozatmentesen) állíthatók (szabályozószelep). A diszkrét működésű végrehajtó szerveket inkább az vezérléstechnikában, míg a folyamatos működésűeket a szabályozástechnikában használjuk. Mint már mondottuk ha a diszkrétizáció nagyon apró (sok a fokozat), akkor a rendszer kvázifolyamatosnak tekinthető. A szabályozástechnikában is azért néha használunk, ON/OFF és diszkrét működésű eszközöket, például a kétállású hőmérsékletszabályozás.

5.2 Pneumatikus és hidraulikus munkahengerek 5.2.1 Munkahengerek A munkahengerek energiavivő közege a sűrített levegö illetve a nagynyomású olaj (ritkán elektromágnes). A sűrített leveőt kompresszorok, a nagynyomású olajat pedig hidraulikus aggregátok segítségével állítják elő, leggyakrabban központilag, és csővezetékekkel szétvezetik a gépekhez. A pneumatikus rendszereknél egy csővezetékre, míg a hidraulikus rendszereknél két csővezetékre van szükség. Mindkét fluidközeggel forgó mozgást is létrehozhatunk (hidromotorok), míg a munkahengerek (amivel foglalkozunk) egyenesvonalú mozgás létrehozására szolgálnak. A munkahengereknek nagy előnye, hogy mozgatáson kívül szorításra is alkalmasak. Nagyon nagy erőket pedig csak munkahengerekkel (különösen hidraulikus) lehet létrehozni. A másik nagy előnyük (mindkettőre vonatkozik) a kis méret, de különösen kis súly (tömeg) egy adott teljesítményhez (méret / teljesítmény, tömeg / teljesítmény ). Az ugyanolyan teljesítményű villanymotorok nagyobbak és sokkal súlyosabbak. Ezek az előnyök a robotoknál, csomagológépeknél, préseknél stb. jutnak kifejezésre. A kompresszorállomás, hidraulikus aggregát, csővezetékek stb. pedig mind komoly hátránynak számítanak. A munkahengereknek alapvetően két típusát különböztejük meg. Visszatérítő rugóval és visszatérítő rugó nélkül. A pneumatikus hegereket l = 2mm – 2000mm lökethosszban és d = 6mm – 320mm dugattyúátmérővel gyártják (FESTO). A leginkább elfogadott levegőnyomás pedig p = 5 bar. A henger mozgási sebessége típustól függően v = 0,02 m/s – 1 m/s . Ezek alapján könnyen kiszámíthatjuk hogy az elérhető nyomóerő F = 5 N (0,5kp) – 40000 N (4000kp) . A hidraulikus munkahengerek sokkal kisebb sebességgel működnek, de százszoros erő kifejtésére is képesek. Több hidraulikus munkahenger igénybevételével, felemelhetnénk akár a Városházát is.

47 / 159


5.2.2 A munkahengerek működtetése A fluidot speciális szelepek segítségével irányítják a munkahengerekre. Ilyen szelepekből sok fajta típus ismert. Az ábrán egy 3/2 típusú szelepet rajzoltunk fel, melynek segítségével visszatérítő rugóval rendelkező munka-hengert szoktak működtetni. A 3-as szám a nyílások (lyukak) számát, míg a 2-es a lehetséges helyzetek számát jelenti. A szelepet elektromágnessel, vagy közvetlenül nyomógombbal lehet működtetni. Ezenkívül gyakran használjuk még a 4/2 (4 lyuk, két helyzet) szelepet melynek segítségével visszatérítő rugó nélküli munkahengert szoktak működtetni. Ma amikor PLC-ék és a mikrovezérlők alkalmazása annyira elterjedt, kézenfekvő hogy az elektrómágneseket már ezek a készülékek kapcsolgatják. A gyakorlatban a PLC-és szakembernek elég ha csak arról van tudomása, hogy ha az elektromágneses szelepre feszültséget ad, valami elmozdul, ha pedig nem akkor az visszatér az alaphelyzetébe. A hidraulikus munkahengereket is szelepek segítségével működtetjük. A képen a munkahengert irányító elektromágneses szelepet 5/3 típusúként tüntettük fel (5 lyuk, három helyzet). A szelepre a nagynyomású olaj a középső lyukon csatlakozik, a két szélsőn pedig távozik a hidraulikus aggregát olajtartályába. A szelep dugattyújában két henger van, amit egy közös dugattyúszár mozgat. A mozgatás történhet kézi erővel vagy elektromágnesek segítségével. A képen a szelep éppen zárt állapotban van (2-es állás) és az olaj nem folyik semerre. A munkahenger sem mozog, de azért erőt fejthet ki (szorít). Ha a dugattyúszárat jobbra mozdítjuk a nagynyomású olaj a sárga színű vezetéken a munkahengerbe áramlik és azt szintén jobbra mozdítja. A fáradt olaj pedig a munkahenger másik oldaláról a szelepen keresztül visszaáramlik az olajtartályba (3-as állás). Ha a szelepszárat balra mozdítjuk a munkahenger is balra mozdul (1-es állás). Észre kel venni, hogy szelepet jóval kisebb mértében és erővel kell elmozdítani, mint ahogyan az a munkahengeren történik. Ezért ez a rendszer erősítőként működik (hidraulikus erősítő). Az erősítéshez szükséges energiát a hidraulikus aggregát szolgáltatja. A szelepszár mozgatására szolgáló elektromágnesek biztosítják azt, hogy a rendszert össze tudjuk illeszteni a villamos alapú vezérléssel és szabályozással, valamint a számítógéppel. 48 / 159


5.3 Szelepek és csapok A szelepeket csővezetékbe építik amelyekben valamilyen gáznemű vagy folyékony anyag áramlik. Szolgálhatnak csak az elzárásra és kinyitásra. Ezeket ON/OFF szelepeknek nevezzük. A szabályozószelepek viszont csővezetékbe beépítve az áramlás útjába fokozatmentesen állítható ellenállást fejtenek ki. Azonnal észrevehetjük, hogy a szelep nem szabályoz, csak beavatkozik. A "szabályozószelep" megnevezés emiatt csalós. A szelepek három fő csoportba sorolhatóak: -Csúszószárasak, melyeknél egy tengelyirányban mozgó szár végére rögzített dugóval nyitunk-zárunk egy lyukat. -Forgószárasak, melyeknél egy tengely körül forgó elem (pl. átfúrt golyó) nyitjazárja az áramlás útját. Egyik tipus a gömbszelep a másik pedig a pillangószelep. -Speciálisak. A képen egy kétutas szelepet láthatunk. Két féle alkalmazás lehetséges. Az egyik mint keverőszelep. Ilyeneket alkalmaznak például a központi fütéseknél (hideg meleg víz keverése), vagy a klimatizációs berendezéseknél. A másik elrendezés szerint elosztószelepként működik. Az egyik irányt fokozatosan zárja, míg a másikat fokozatosan nyitja. Az irányítástechnikában csak azok a szelepek az érdekesek amelyeket nem kézi erővel működtetünk. A szelepek meghajtásához jelentős erőt vagy nyomatékot kell kifejteni. Elektromágnessel csak az egészen kis szelepek működtethetők (pl. a mosógép, bárpultok, autók). A nagyobb szelepeket villanymotorral, de leginkább sűrített levegővel (pneumatika) működtetik. A szelepek hidraulikus meghajtása is gyakori, sőt ott ahol hidraulikus munkahengereket használnak a szelepek is hidraulikus működtetésűek. A hajtáson kívül a szelep egy pozicionáló készüléket is kell hogy tartalmazzon. Valamilyen módon ellenőrizni kell a szelepszár helyzetét (mechanikusan az újabbaknál elektronikusan) és annak alapján irányítani a levegőadagolást, illetve a motor jobbra-balra forgatását. Ez önmagában is egy kissebb, zárt irányítási (szabályozási) rendszert alkot. A nyitás mértékét álltalában Xbe= 4-20mA-os (4mA teljesen zárt, 20mA teljesen nyitott) szabványos áramjellel szokták megadni. Az újabb gyártmányú szelepek már mikrokontrollert is tartalmaznak, és szabványos soros interfészen és a gyártók által kifejlesztett protokolokkal lehet velük kommunikálni (DeviceNet, ProfibusPA, HART stb.). A mikrokontroller a pozicionáláson kívül még számos más feladatot is ellát. Linearizálja a jelleggörbét, illetve az alapjel és az áramlás arányát állandósítja Q = K * Xbe. Ellenőrzi a rendszer működését, számlálja a manipulációk számát, lehetővé teszi a paraméterek beállítását különböző fluidokhoz stb. A gyártók ezért reklámanyagaikban joggal használják az „intelligens” szabályozószelep kifejezést. 49 / 159


5.4 Aszinkron motorok (AC Induction Motors) A villamos hajtások mintegy 90% -át az aszinkron motorok adják. Működési elvük és szerkezeti felépítésük más tantárgyakból már tanulmányozásra kerültek. Itt most röviden az aszinkron motorok irányíthatóságával foglalkozunk. 5.4.1 Háromfázisú aszinkron motorok Az aszinkron motorok túlnyomó többsége háromfázisú változatban készül. Az irányítást illetően az egyik lehetőség, hogy csak ON/OFF üzemmódban dolgozzanak, esetleg irányváltással. Többsebességű gépek is vannak (általában 2 esetelg 3 vagy 4). A bekapcsolásukat leginkább mágneskapcsolók (kontaktorok) segítségével végezzük. A nagyobb motorokat nem lehet közvetlenül indítani. Bekapcsolásukhoz több kontaktor szükséges (pl. csillag-háromszög, a csúszógyűrűs motoroknál rótorindító stb.). A megfelelő kapcsolási sorrendet egy indítási procedúra alapján kell biztosítani (pl. időterv). Az ábrán a háromfázisú aszinkron motorok indítási lehetőségeiről adunk egy rövid áttekintést. A rajzok egypólusú ábrázolásúak. A valóságban az egy vonal helyett három vezetéket kell elképzelni. A főáramkörökbe nem rajzoltuk be a biztonságos működéshez szükséges többi elemet, mint amilyen a szakaszoló, biztosítók, motorvédőkapcsolók, bimetálok, áramtranszformátorok és műszerek a motor ellenőrzésére stb. 5.4.2 Egyfázisú aszinkron motorok Aszinkron motorok egyfázisú változatban is készülnek (kisebb szivattyúk, szerszámgépek stb.). Valójában két tekercset tartalmaznak (fő és segédfázis), és legalább indításukhoz kondenzátort igényelnek. A képen egy kétsebességű motorra adunk példát (2x2 tekercs), amit a klasszikus mosógépekben használnak. A nagyobb sebesség (fordulatszám) a centrifugáláshoz, a kisebb pedig a mosáshoz szükséges. A mosásnál irányváltásra is szükség van. A kondenzátort indítás után sem kapcsolják ki. Az ilyen típusú mosogépmotorokhoz viszonylag könnyen hozzá lehet jutni (kidobott mosógépekből). A bekapcsoláshoz szükséges reléknek érintkezőinek 16A kell kibirniok (ez a reléknél a felső határ és ezért egy kicsit drágák). 5.4.3 Az aszinkron motorok fordulatszámának a változtatása Az aszinkron motorokat nem csak ON/OFF üzemmódban használjuk, hanem fordulatszámukat is lehet folyamatosan (fokozatmentesen) változtatni. Az ns = 60 * f / p aszinkron motor fordulatszámát úgy tudjuk változtatni, hogy egyszerre n = ( 1 –s ) * ns változtatjuk a kapocsfeszültséget és a frekvenciát is. Mint tudjuk az aszinkron Ui = K * f * Φ motor fordulatszáma (egy kis csúszással) a frekvenciával arányos. A kapocsfeszültség és a frekvencia arányának állandónak kell lenni, hogy a flukszus állandó maradjon. Így nem kerül a motor telítődésbe, és a motorról levehető forgatónyomaték is állandó marad. Miután elértük a névleges feszültséget (3x380V - tovább nem növelhető) a frekvenciát még körülbelül a névleges érték (50Hz) háromszorosára (150Hz) növelhetjük, azzal hogy a motorról levehető nyomaték 50 / 159


csökken (a teljesítmény pedig a fordulatszám növekedésénak a következtében állandó marad). Ilyen kombinált módszerrel a fordulatszám kb. 1 : 100 (a vektorszabályozásnál 1 : 1000) arányban állítható. Régebben a változtatható feszültséget és frekvenciát szinkron generátorokkal biztosították, a szikron generátort pedig Ward-Leonard gépcsoporttal forgatták (fuj). Ma kizárólag félvezetőkből (főleg IGBT Isolated Gate Bipolar Transistor) felépített inverterhidakat használnak. A IGBT-ék vezérlése (gyújtása) speciális elektronikai eszközöket igényel, de ez már a teljesítményelektronika témaköre.

5.5 Egyenáramú motorok (DC motors) Az egyenáramú gépek nagy hátrányuk (kollektor és a kefék) ellenére is, a közelmúltig szinte helyettesíthetetlenek voltak ott, ahol a motor fordulatszámát folyamatosan (fokozatmentesen) kellett változtatni. Az egyenáramú motorok fordulatszámát az armatúra (forgórész) illetve a gerjesztés (állórész) kapocsfeszültségével lehet változtatni. Ha az armatúra-feszültséget növeljük a fordulatszám is ugyanúgy növekszik. Ha pedig csökkentjük a gerjesztést a fordulatszám ismét növekszik, de ekkor már a motorról levehető foragatónyomaték is csökken (a motor kevésbé terhelhető). A gyakorlatban úgy járunk el, hogy a gerjesztőfeszültséget állandó értéken tartjuk az armatúrafeszültséget pedig fokozatosan növeljük (a motorról levehető nyomaték állandó). Miután elértük a névleges armatúrafeszültséget (tovább nem növelhető), a gerjesztőfeszültséget kezdjük csökkenteni. Igy még a fordulatszám a névleges értékének kb. háromszorosára növelhető, azzal hogy a motorról levehető nyomaték csökken (a teljesítmény pedig a fordulatszám növekedésénak a következtében állandó marad). Az ilyen kombinált módszerrel a fordulatszám kb. 1 : 1000 (sőt 1 : 10000, szervóhajtások) arányban állítható. Régebben a változtatható feszültséget egyenáramú generátorokkal biztosították (WardLeonard gépcsoport). Ma kizárólag félvezetőket (főleg tirisztorokat) használnak. A tirisztorok vezérlése (gyújtása) speciális elektronikai eszközöket igényel, de ez már a teljesítményelektronika témaköre. A tirisztoros hidak lehetnek félig, vagy teljesen vezéreltek. Ha irányváltást és féküzemet is szeretnénk megvalósítani (négynegyedes hajtás) akkor vagy a gerjesztésben, vagy az armatúrakörben még egy 51 / 159


ellenpárhuzamosan kötött tirisztoros hidat kell beiktatnunk. Szintén speciális ún. reverzálóautómatika vezérli, hogy melyik híd dolgozzon.

5.6 Léptetőmotorok (Stepping motors) A léptetőmotorok olyan elektomechanikus átalakítók, amelyek villamos impulzusokat alakítanak át meghatározott nagyságú szögelfordulásokká, fordulatszámuk pedig egynesen arányos az impulzusfrekvenciával. A kivitelezést tekintve a léptetőmotor olyan, többfázisú (többtekercsű) és sokpólusú villamos motor, melynél a tekercseket adott sorrendben gerjesztve, a tengely kis szögelfordulást végez, és ott rögzítve megáll. Ezt nevezzük lépésnek. Ha a motort gyorsan léptetjük, (az impulzusfrekvencia nagy) szinte sima forgómozgást kapunk. Egy körfordulatot akár 1000 lépésre is oszthatunk. Az impulzusok frekvenciáját nem szabad hirtelen növelni, mert előfordulhat, hogy a rótor, a nagy tehetetlenségi nyomaték következtében, nem tud olyam ütemben felgyorsulni és lépésvesztés állhat elő. Leálláskor pedig a frekvenciát (léptetést) lassan kell csökkenteni, mert a tehetetlenség következtében a motor túlforoghat. A megoldás előnyei: - A kivánt poziciót nyílt hatásláncú vezérléssel (nem kell visszacsatolás-enkóder az út mérésére) is el lehet érni. hiszen a működtetés diszkrét lépésekben történik. - Nagyon kicsi fordulatszámok is használhatók. - Nem kell rögzítőfék a teher megtartására (pl. a robotoknál), a motor ezt a feladatot is ellátja. - Nincs szénkefe, így kisebb a karbantartásigény. A léptetőmotorok három fő típusa az állandómágneses-, a reluktancia-, és a hibrid léptetőmotor. Az állandómágneseses léptetőmotornál, a forgorész több állandómágnesből (pólusok) áll (2, 4, 6 stb.). A reluktanciamotoroknál a forgórészben nincsenek állandómágnesek, az állórész gerjesztésekor a forgórész úgy áll be, hogy a mágneses ellenállás a legkisebb legyen. Az állórész tekercselését tekintve a motor lehet unipoláris, bipoláris vagy biffiláris. A képen a működési elvet egy állandómágnesű, hatpólusú (a rótor) unipoláris gépen mutatjuk be. Az állórészen két tekercs van (1 és 2). Mindkét tekercs még két részre van osztva, és az ábrának megfelelően vannak a sztátorra helyezve. Egyszerre csak egy „féltekercsen” folyik az áram. A képen a kezdőhelyzet van feltüntetve (1a van gerjesztve) és a sztátoron két pólus aktív NS. A másik kettő pedig nem (mivel nincs gerjesztve). A rótor ellenkező pólusaival áll be a sztátor pólusaihoz. Ennél a példánál a teljes kör 12 lépésből áll (30°). A léptetést (az egyik tekercsről a másikra való kapcsolást) a táblázatban foglalt sorrend szerint kell megvalósítani. Figyeljük meg, hogy az állórész mágneses mezeje szembeforog a forgórésszel! A kapcsolgatást IGBT vagy MOSFET-ek segítségével lehet megoldani, amelyeket már (esetleges drajverek közbeiktatásával) a mikrokontroller irányíthat.

52 / 159


1a 1b 2a 2b

0° 1 0 0 0

30° 0 0 1 0

60° 0 1 0 0

90° 0 0 0 1

120° 1 0 0 0

150° 0 0 1 0

180° 0 1 0 0

210° 0 0 0 1

240° 1 0 0 0

270° 0 0 1 0

300° 0 1 0 0

330° 0 0 0 1

A bipoláris tekercselésű motor az előbbinél egyszerűbb. A tekercseknek (1 és 2) nincs középkivezetése (nincsennek féltekercsek), és ezért a tekercsekben váltogatni kell az áram irányát (1+, 2+, 1-, 2-). Mivel itt egyszerre egy teljes tekercs (1 vagy a 2) aktív, a motor nyomatéka is nagyobb lessz. Egyedüli hátránya, hogy összetettebb a kapcsolgatóelektrónika, ugyanis hídkapcsolást kell alkalmazni (a 4 MOSFET helyett 8-ra van szükség). Léptetőmotorokat használnak a hard diszkek, mátrixnyomtatók, és a rajzológépek (plotter) meghajtására is. Diplomamunkaként egy ilyen kidobott készülékből kivett stepp motorral érdekes alkalmazásokat lehet megvalósítani.

5.7 Szinkron motorok A szinkron motorok pontosan ugyanakkora fordulatszámmal forognak mint a forgó mágneses tér (n=ns=3000/1500/1000 ... ford/perc). Az armatúratekercs itt az állórészen helyezkedik el, a gerjesztés pedig a forgórészen. Kisebb motoroknál (kb. 15kW-ig) gerjesztésként állandó mágnest lehet használni, így nincs szükség kefékre. Fordulatszámukat a frekvencia (persze ezzel egyidejűleg a feszültséget is változtatni kell) változtatásával lehet állítani Mivel itt nincs csúszás a megtett út (szögelfordulás) a frekvenciából és az időböl pontosan számítható. Ez a pozicionálóhajtásoknál, tehát főleg a robotoknál nagyon lényeges.

5.8 Egyéb mechanikai eszközök A fentebb felsorolt végrehajtó szerveket általában csak valamilyen kapcsolóeszközzel lehet a munkagéphez (folyamathoz) kötni. A motor fordulatszáma sokszor túl nagy ahhoz, hogy közvetlenül hajtson például egy szállítószalagot. A forgómozgást is gyakran egyenesvonalúvá kell alakítani. Ezért mechanikai áttételeket kell közbeiktatni. Leggyakrabban használt ilyen mechanizmusok a fogaskerékpár, csigahajtómű, orsós áttátel, szíjáttételek stb. A gyártók gyakran ezeket az eszközöket (reduktorokat) egybeépítik a motorokkal (motorreduktorok). A másik nagy csoportba a tengelykapcsolókat és a fékeket sorolhatjuk. Ezeknek irányítástechnikai jelentőségük is lehet. Gyakori eset, hogy a nagy motorokat csak üresben lehet elindítani, és csak ezután szabad a munkagéphez csatlakoztatni (lásd: autókuplung). Ehhez egy olyan irányítható tengelykapcsolóra van szükség amelyik kezdetben csúszik, de ahogy a munkagép felöli oldalon növekszik a sebesség mind nagyobb nyomatékot tud átvinni és teljes sebességnél már merev kapcsolatot biztosít a motor és a munkagép között. Régebben a változtatható fordulatszámot és a fordulatszámarányokat (pl több henger között) ilyen irányítható „kuplung” –okkal oldották meg. A (elektromechanikus) fékeknek pedig nagy szerepe van a biztonságos leállításnál, a terhek megtartásánál stb. Ezeket gyakran elektromágnesek, vagy segédmotorok (hidraulika, rugók, ferródák stb. igénybevételével) működtetik és ugyanúgy végrehatjószerveknek (aktoroknak) tekinthetők. A fékeket is szokásos egybeépíteni a motorokkal (fékmotorok).

A jegyzet jelen pillanatban idáig van feldolgozva. Az ezt követő szövegrész hiányos nem végleges formájú és nincs rendszerezve

53 / 159


6. Csatlakoztatók - interfészek A szenzorok, aktorok, jelfeldolgozó, parancsadó és a prezentációs eszközök legtöbbször nem köthetők közvetlenül össze. Az összekötések és összekötéseket lehetővé tevő összeillesztések megvalósítására szolgáló eszközöket nevezzük interfészeknek. Az interfészek alatt tehát érthetjük az irányítóberendezés elemeit összekötő hírközlőcsatornákat, de méginkább a hírközlőcsatornák végein található jelátalakítókat és illesztőket. - Az interfészek végzik a jelek egyik formából a másikba való átalakítását. Példul A/D (analóg/digitális) vagy fordítva D/A átalakító. - A jelszintek és energiaszintek összehangolását. Például egy mikrovezérlő portja (kimenete) csak 10mA árammal terhelhető. Hogy ezzel egy motrot be tudjunk kapcsolni a mikrovezérlő (10mA) először egy tranzisztort kapcsol be. A tranzisztor (200mA) egy relét. A relé (6A) egy mágneskapcsolót (kontaktort). Végül a kontaktor (pl. 100A) a motrot indítja. - Az elektromos jelekhez hasonlóan, ahol a feszültség áram és energiaszinteket kell összehangolni a más természetü jeleket is össze kell illeszteni. Például a pneumetikus (sűrített levegő) jelek nyomásszintjeit (szűkítőszelepek stb.), vagy a pneumatikus jelet elektromos jellé kell alakítani (illetve fordítva). - A galvanikus elválasztásra szolgáló (elválasztótranszformátor, optokoppler) eszközöket is az interfészekhez sorolhatjuk. Ezeknek főleg érintésvédelmi és más védelmi (a drága eszközök szétválasztása, robbanásveszélyes környezet stb.) mechanizmusok kialakításánál van jelentőségük. Az interfészek fizikailag gyakran nem különíthetők el a szenzoroktól, aktoroktól vagy a jelfeldogozóktól. Megjegyzés: Ez a fejezet csak tágabb értelemben tartozik az irányítástechnika témaköréhez. A legtöbb felsorolt téma már más tantárgyakból is fel lett dolgozva. Tehát a Csatlakoztatók-interfészek fejezet célja egy bizonyos fokú rendszerezés, az irányítástechnikával kapcsolatos dolgok kiemelése, valamint az előzőekben tanultak átismétlése.

6.1 A szenzorok csatlakoztatói A bevezetőben felvázolt fogalomrendszerünkben a szenzorokhoz tartozó jelformáló és jelátalakító eszközöket az interfészekhez (csatlakoztatókhoz) soroltuk. Ezek együttesen alkotják a mérőátalakítót. A mérőátalakító fogalma néha nem választható el a szenzor fogalmától, fizikailag pedig gyakran egy eszközt képeznek. A szenzorok fejezetben is néha utaltunk a szükséges jelformálásokra és jelátalakításokra. Mivel a jelfeldolgozók leginkább villamos jelekkel dolgoznak, mérőátalakítóknak is az érzékelt fizikai mennyiséget elektromos jellé kell alakítaniok. Ezt a feladatot leginkább elektronikus elemek, és mikroprocesszorok segítségével valósítják meg. Gyakran mondjuk: a mérőműszer elektronikája. Az alábbiakban ilyen „elektronikákra” adunk tippeket, amelyek kiindulópontul szolgálhatnak néhány diplomamunkához. 6.1.1 A mérőhíd (Wheatstone – híd) alkalmazása Az előzőekben láttuk, hogy a szenzorok paraméterei (ellenállás, kapacitás, induktivitás) a mért fizikai mennyiség hatására csak kis mértékben változnak ( x = ΔR/R << 1 ). A változással arányos villamos jel képzésére a Wheatstone híd alkalmazása kiválóan megfelel. Ha a kiegyensúlyozott mérőhídhíd egyik ellenállása csak kis mértékben változik akkor a híd feszültsége egyenesen arányos a változással. Ha a Wheatstone híd csak ellenálásokat tartalmaz egyenáramot használunk. Ha a kapacitás vagy az induktivitás változására vagyunk kiváncsiak, a hidat 54 / 159


magasfrekvenciás váltakozóáramról (5 – 100 kHz) kell táplálni, ugyanis a valóságban előforduló induktivitások és kapacitások értéke túl kicsi. Hálózati frekvencián (50Hz) az induktivitásnak túl kicsi lenne az impedanciája (ωL - szinte rövidzár), a kapacitásnak pedig túl nagy (1/ωC - túl kis áram folyna a hídon). Ha a híd két szembenlevő ágában egyformán növekszik az ellenállás (második kép), akkor a mért feszültség (ΔU) megduplázódik. Olyan kapcsolás is van amikor az egyik szembenlevő ágban az ellenállások növekszenek (R+ΔR), a másikban pedig csökkennek (R-ΔR). Az ilyen híd érzékenysége négyszerese az elsőnek, és a mérőszalagoknál használják leginkább. A hídat általában 12, 24 vagy 48 V feszültségről tápláljuk (érintésvédelmi okok), de szükség esetén nagyobb feszültségeket is használnak (230V). Mivel a hídról nyert feszültség túl kicsi (mV-os nagyságrendű) felerősítésére speciális műszererősítőket kell alkalmazni. A képen a hídkapcsolásokat csak ellenállások alkalmazásával szemléltetjük. 6.1.2 A műveleti erősítők alkalmazása (ismétlés) A szenzorokból nyert jel erősítésére és formálására leginkább műveleti (operációs) erősítőket (Operational Amplifiers) használunk. A műveleti erősítők IC formájában és nagyon sok változatban kaphatók. Az ideális operációs erősítőnél feltételezzük, hogy: -Az erősítés végtelen (valóságban A=3*105-106) -A bemenő ellenállás végtelen (valóságban Rin = 1MΩ - 100MΩ) -A frekvenciaáteresztőképesség végtelen (a valóságban fmax = 5kHz - 100 kHz ) -A kimenőellenállás nulla (valóságban Rout = 1Ω - 10Ω) A műveleti erősítő az erősítéshez szükséges energiát külső tápforrásból biztosítja. A táplálás lehet kétoldali (+12V, -12V és GND), vagy egyoldali (+12V és GND). A tápfeszültség értéke általában 6V és 15V között mozoghat. Az erősítést a következőképp értelmezzük. -A feszültségerősítés Au . Uout = Au Uin -Áramerősítés Ai . Iout = Ai Iin -Teljesítményerősítés Ap . Pout = Ap Pin ahol Pout = Uout Iout és Pin = Uin Iin Ha a jeleket feszültség formájában dolgozzuk fel, akkor a jelerősítésre csak a feszültségerősítés a mérvadó. A teljesítmény (és áram) erősítés viszont csak olyan értelemben érdekes, hogy a bemenet kis árammal terheli az őt ellátó jelforrást (keveset fogyaszt), viszont a kimenetére már nagyobb fogyasztók is köthetők. Például még néhány operációs erősítő bemenetét, vagy A/D átalakítót tud elegendő energiasszintű jellel ellátni. A következő ábrán az alapvető kapcsolásokat foglaltuk össze.

55 / 159


A műveleti erősítőket tranzisztorokból lehet felépíteni, de a gyakorlatban szinte mindig integrált áramköröket használunk. Az első, és talán a mai napig is legismertebb ilyen operációs erősítő a μA741-es típus (1964?). Iskolánkban az LM348-as jelzésű típust használjuk, amely tulajdonképpen 4 darab, egymástól független, μA741-es műveleti erősítőt tartalmaz egy közös DIL16-os tokba helyezve. A 9. szabályozástechnika (önműködő szabályozás) fejezetben a műveleti erősítők használatára még vissza fogunk térni. Ott a külső áramkörökben az ellenállásokon kívül kondenzátorok is meg fognak jelenni. Ha csak ellenállásokat használunk a jelátvitel pillantszerűnek tekinthető. Amikor a kondenzátorok (esetleg induktivitások) is megjelennek azok kihatással vannak jelátvitel időbeni lefolyására. Például kondenzátorokat és műveleti erősítőket használhatunk a magasfrekvenciás zavarok szűrésére (aktív filterek). A szabályozókat is (P, PI, PID regulátor) gyakran műveleti erősítők segítségével szokták megvalósítani. Azonkívül műveleti erősítők segítségével teljes és működőképes szabályozási köröket is felépíthetünk. 6.1.3 Az insztrumentációs erősítő (műszererősítő) (fakultatív) A hagyományos műveleti erősítő erősítése ugyan végtelen nagynak tekinthető (pl. A=3*105-106) de pontos értéke nem garantált. A kivánt, de még mindig nagy erősítést (pl. A=1000) külső ellenállásokkal lehet beállítani. Az így beállított erősítés értékére, a szinte végtelennek tekinthető alaperősítés, ugyan már nincs nagy kihatással, de az ellenállások alkalmazása miatt a bemenő ellenállás lecsökken. A képen a jobb oldali erősítő egy differenciális erősítő, azonban a bemenőellenállása elég kicsi (Rbe=100k). A műszererősítő (Instrumentation Amplifiers) különbözik a hagyományos műveleti erősítőtől. Ugyanúgy differenciális bemenetet használ (a zavarmentességre jó). A nagyon nagy erősítés A azonban pontosan beállítható. Ez azért kell mert a szenzorból érkező jel feszültsége ΔUin nagyon kicsi (mV nagyságrendű). Ennek ellenére a bemeneti ellenállás mégis nagyon nagy marad, és ezért nem terheli a jelforrást. A műszererősítők kaphatók IC formájában (egy csipben). A képen erre is láthatunk példát, méghozzá a legolcsóbb típust választottuk (Analog Devices AD620). A műszererősítők, bizonyos korlátozásokkal, klasszikus műveleti erősítőkkel is kivitelezhetők. Erre is láthatunk egy még olcsóbb megoldást (felső kép) 3 darab μA741-es alkalmazásával. Az LM384N típusjelzésű IC, 4 darab μA741-es független műveleti erősítőt tartalmaz egy közös DIP14-es tokban. 6.1.4 Az áramgenerátor alkalmazása Az áramgenerátor olyan villamos energiaforrás amelyik a kimeneteire kapcsolt ellenállás (fogyasztó) értékétől függetlenül az áramot állandó értéken tartja. Az áramforrás számára a nagy ellenállás jelenti a nagyobb terhelést. Az áramkört nem is szabad megszakítani mert az áramgenerátor kimenetein 56 / 159


nagyon nagy (idealizált esetben végtelen) feszültség kelentkezhet. Megvalósítható műveleti erősítővel, vagy kész IC formájában kapható. Az áramjel (az áramerősség értéke a jelszint) kevésbé érzékeny a zavarokra, mint a feszültségjel (a feszültség értéke a jelszint), és ezért a megvalósítható átviteli távolság is nagyobb. Míg a feszültségjellel (kivétel a differenciális feszültségjel) a megvalósítható átviteli távolság 5-30m (esetleg 100m árnyékolt kábellel) addig áramjellel 1km átviteli távolság is elérhető. A folymatirányításban a szabványosított ármjel a 0-20mA, vagy 4-20mA. A 4mA megfelel a legkisebb mért értéknek, a 20mA pedig a legnagyobbnak. A 4mA-es értéket „élő nullának” is szokták nevezni. Ez két okból is előnyös. Egyrészt, amikor kis értékeket mérünk a jel kevésbé érzékeny a zavarokara, márészt detektálni tudjuk a mérőkör megszakadását. Ha az áramhurokra több mérőműszert kapcsolunk, azokat sorba kell kötni. A mikrokontroller számára egy ilyen ellenállásról levegyük a feszültséget, differenciális (vagy insztrumentációs) erősítővel felerősítjük és az A/D átalakítóra vezetjük. 6.1.5 A linearizálás fogalma (fakultatív) A szenzorból kapott jel sok esetben nem lineáris (nincs egyenes arányban a fizikai mennyiséggel). Matematikailag nézve linearizálást egy sorbakötött inverz funckió(blokk) segítségével lehet elvégezni. Ezt megvalósíthatjuk például diódákkal és műveleti erősítökkel (hardveresen), vagy magában a mikropocesszorban programozással (szoftveresen). A képen egy több műveleti erősítőből és diódából összeállított linearizálási shémát láthatunk. A kivánt görbén meg kell határozni néhány töréspontot és annak megfelelő számú (darab) műveleti erősítőt kell használni. A linearizálás egy műveleti erősítővel is megoldható, de akkor töréspontoknak megfelő számú és feszültségű Zéner diódát kell alkalmazni. Ha a linearizálást szoftveresen végezzük, akkor először a mérőátalakítóból nyert és felerősített analóg villamos jelet át kell alakítani digitálissá. Az A/D átalakító lehet a mikrovezérlő része (be van építve), vagy különálló csip. -Ha ismerjük a nemlineáris elem matematikai függvényét akkor a linearizálást e függvény inverzével kell végrehajtani. Ha magasabb szintű programnyelvet használunk (Basic, Pascal, C) akkor vígan írhatjuk a legbonyolultabb matematikai képleteket is (a többi úgyis a fordító dolga). Azonban ha a képlet túl bonyolult a számítás sok processzoridőbe telhet. Ezzel lecsökkenhet a mérés sebessége (mintavételezési idő), és fontosabb dolgokra nem marad processzoridő. -Ha a nemlinearitás nem írható le viszonylag egyszerű matematikai képlettel, akkor a nemlinearitást táblázatba foglaljuk. A táblázatot a programmal együtt mikrokontrollerbe beégetjük. Ezenkívül a program kell hogy tartalmazzon egy táblázatkereső rutint is. Amikor a mikrokontroller megkapja a jelet az A/D átalakítótól a program táblázatkereső rutinra ugrik, és a kapott jel számértékét felcseréli a táblázatban talált megfelelő értékkel. Ha nincs minden táblázatba foglalva (például nem elég a memória) a köztes értékeket interpolációval lehet kiszámolni stb. Aki szereti az ülőmunkát nyugodtan elszórakozhat vele egy diplomamunka keretében. Egy kis matematika és programozás, de főleg aprólékos munka. A nemlineáris függvény: X = a * T2 + b Ennek az inverze: T = ( (X - b) / a) )1/2 Ez utóbbit kell a mikrovezérlőbe beprogramozni

6.1.6 A/D átalakítók Az A/D átalakító az analóg (értékben folyamatos) jelet alakítja digitális (diszkrét) jellé, illetve ahogy sokszor mondjuk számmá. A kivitelezést tekintve lehet különálló csippben (tokban) kivitelezve, de ma már gyakran a mikrokontroller szilíciumlapocskáján kap helyet, ahol közvetlenül csatlakozik a mikrokontroller többi egységéhez.

57 / 159


(fakultatív) Az A/D átalakító különböző elveken működhet. Néhány ismert technika: szukcesszív approximáció, kettős integrálás (dual slope), szigma-delta stb. Mi ezeket az elveket most nem tanulmányozzuk (a digitális elektrónika feladata), hanem felhasználói szempontból a következőket hangsúlyozzuk ki: ·Az egyik legfontosabb adat az átalakítás (diszkretizálás) mélysége. A 8 bites átalakító az analóg jel tartományát 256 diszkrét számmal képviseli (0,1,2,...255). A 10 bites (0,1,2,...1023) stb. A különálló 8 bites átalakítónál 8 párhuzamos vezetékén jelenik meg a megfelelő bítkombináció. Ha az átalakító a mikrokontrollerbe van építve, ezeket a vezetékeket nem látjuk, hanem csak egy a adott címen ovashatjuk az átalakítás értékét. A bitszámok növekedésével az A/D átalakítók ára rohamosan növekszik Ahhoz hogy a gyártók a bitszámot egyel megnöveljék, az átalakítóba integrált tranzisztorok számát meg kell hogy duplázzák. ·Az átalakítás mindig egy bizonyos időt illetve taktusszámot vesz igénybe (típustól és technikától függően 1μs-1ms). Ez azt jelenti, hogy az A/D átalakítót tartalmazó rendszer automatikusan mintavételezetté válik, illetve a jel időben sem folyamatos. Az átalakítás eredményét akkor kell kiolvasni miután a konverzió befejeződött (ezt az átalakító jelzi, K-kész), és egy interuppt funkcióval lehet feldolgozni. Úgy is eljárhatunk, hogy az átalakítás eredményét csak bizonyos időközökben, vagy szükség szerint (hébe-hóba) olvassuk ki. ·Az átalakítás kivitelezéséhez referens feszültségforrásra is szükség van (Uref). Az átalakító ehhez a referens értékhez képest végzi az analóg jel feldarabolását (diszkretizálását). Erre speciális Zéner diódák szolgálnak. A referens feszültségforrás lehet különálló, vagy beépítve az átalakítóba. Ha a referens feszültségforrás nem pontos (pl. hőmérsékletfüggő), az teljes mértékben kihat az átalakítás pontosságára. Ilyenkor az átalakító nagy bítszáma (pl. 14, 16) érdektelenné válik. ·Az A/D átalakítóhoz általában egy analóg multiplexert is rendelnek. Ezzel azt érik el, hogy több analóg bemenetet is kezelhetünk egy közös A/D átalakítóval. A multiplekszer (AMUX) a választóbítek (V1, V2, V3) értékkombinációjának megfelelően egy bemenőcsatornát rákapcsol az A/D átalakítóra. Miután a konverzió befejeződött a kapott érték az EREG eredményregiszterbe íródik. Ezután jöhet a következő csatorna (analóg bemenet) feldolgozása. A felhasználó (programozó) az EREG eredményregiszteből kiolvashatja az ereményt. A mikroElektronika-Bgd. fejlesztőrendszerén a következő utasítást írnánk: nyomas = Adc_Read(2)

'A 2-es számú analóg bemenetet beolvassa a nyomas változóba

Az átalakítási idő a több csatorna miatt megnövekszik. Kiszámításához az A/D átalakító konverziós idejét meg kell szorozni a csatornák számával. Ha a folyamat állapotjellemzői (hőmérséklet, nyomás, folyadékszint, pozició stb.) nem túl gyorsan változnak, a létrejövő késés nem fogja befolyásolni a teljes irányítástechnikai rendszer működését. Álltalában 8 vagy 12 analóg bemenőcsatornához tartozik egy A/D átalakító. 6.1.7 D/A átalakítók és a PWM A D/A átalakító fordított műveletet végez az A/D átalakítóhoz képest. Digitális formában (például 8, 10, 12 bites) tárolt számot (jelet) alakít analóg jellé. A D/A átalakító működési elve egyszerűbb. A kivitelezéséhez egy operációs erősítő, és megfelelő ellenállások szükségesek a digitális jelek összeadására. Mint külön integrált áramkör is kapható, lézeresen beálított pontos és stabil ellenállásokkal. Ilyenformán a mikrokontrollerekbe nem szokásos beépíteni. Helyette inkáb a PWM modult használják.

58 / 159


(fakultatív) A PWM átalakító (modul) segítségével impulzusszélességmodulációt tudunk létrehozni. Ez azt jelenti, hogy egy állandó T periódusidő mellett a bekapcsolás TON idejét változtatva, a kimenő jel középértékét tudjuk változtatni. Ha a bekapcsolt feszültségszint U akkor a PWM modulátor kimenetén a feszültség középértéke: UAV = U*T/TON = U*k . Egy aluláteresztő filter segítségével elválaszthatjuk az egyenáramú DC komponenst a váltakozóáramú összetevőktől. PWM jelet két adat jellemzi: a frekvencia f=1/T és a kitöltési tényező k=T/TON . A jel középértéke a kitöltési tényezőtől függ és a frekvenciától független. Ilymódon a PWM átalakító egy D/A átalakító szerepét tölti be. A mikrokontrollerekben gyakran találkozunk beépített PWM modullal. A programozónak az a feladata, hogy a gyártó által megadott regisztercímekbe beírja a PWM modul imént ismertetett adatait (például a frekvencia és a kitöltési tényező). A mikroElektronika-Bgd. fejlesztőrendszerén (mikroBASIC, mikroPASCAL és mikroC) a programparancsok a következők: Pwm_Init(5000) Pwm_Start Pwm_Change_Duty(192)

'A PWM modult 5kHz-re inicializálja 'Elindítja a PWM modult 'A kitöltési tényezőt 75%-ra állítja (255 a 100%)

A PWM kimenetre, egy tranzisztoros erősítőn és MOSFET-en keresztül, egyenáramú motrot is köthetünk, vagy elektromos fényforrást. Így lehetőség nyílik a motor fordulatszámának, vagy a fényforrás fényerősségének a szabályozására. Diplomamunka!!! 6.1.8 Gyorsszámlálók Az előzőekben láttuk, hogy néhány mérés alapja az impulzusok számlálása (inkrementális adó). Ha az impulzusok sűrűn követik egymást (nagyfrekvencia pl. 1-100kHz) a mikrovezérlő szabványos portlába nem használható. Mint mondottuk a minden számítógépes irányítástechnikai rendszer mintavételezéssel dolgozik. A két mintavétel között a processzor számol (a programot hajtaja végre). Ha ez az idő alatt több impulzus is bejönne a portlábra, azokat nem tudná megszámolni. Ezért a mikrokontrollerekbe úgynevezett gyorsszálálókat (hardverszámlálókat) építenek, amely függetlenül számlálja a bejövő impulzusokat és az aktuális értéket egy regiszterbe helyezi (örzi). (fakultatív) Több fajta működési mód lehetséges: -Amikor a számláló elérte a makszimális értéket (megtelt), jelezni fogja az eseményt. A 8 bites számlálónál ez a makszimum 255. A számlálás pedig automatikusan a nulláról újrakezdődik. -Amikor a számláló összegyűjtött egy előre meghatározott (programból definiált) számú impulzust, jelezni fogja az eseményt. A számlálás pedig automatikusan a nulláról újrakezdődik. -A számláló értékét bizonyos időközökben kiolvassuk (még mielőtt megtelt volna), majd rögtön nullázzuk, hogy újrakezdje a számlálást. A számlálók számláhatnak előre vagy hátra, esetleg az üzemmód kiválasztásától függően mindkét irányba. Számlálhatnak egész impulzusokat, vagy éleket (felmenő él, lemenő él, vagy mindkettő). A jobb inkrementális adók esetében, két (esetleg ennél is több) csatornáról történik a számlálás. Mivel a csatornák impulzusai 90°-kal egymáshozt képest el vannak tolva, a felmenő és lemenő élek alapján a forgásirány is megállapítható, illetve az előre-hátraszámlálás is automatikusan váltható. 59 / 159


A számlálókat régebben mechanikus eszközökkel, majd később tranzisztorokkal valósították meg. Számlálók kaphatók kész IC-ék formájában is, de ma már a mikrkontroller beépített perifériáját képezik. Ezért inkább a számláló funkcionális ismeretére van szükség (a megvalósítást módját nem kell, hogy tudjuk), hogy azt a mikrokontoller programjából (a megfelelő regiszetereken keresztül), irányítani és használni tudjuk. 6.1.9 Gray kód átalakítása binárissá (fakultatív) Bináris 00000 00001 00010 00011 00100 00101 00110 00111 01000 01001 01010 01011 01100 01101 01110 01111 10000 10001

Gray-3 000 001 011 010 110 111 101 100

Gray-4 0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 1100 1101 1111 1110 1010 1011 1001 1000

Gray-5 00000 00001 00011 00010 00110 00111 00101 00100 01100 01101 01111 01110 01010 01011 01001 01000 11000 11001

Az abszolút útadó példájánal a 4.3.4 pontban láttuk, hogy a mérőléc bináris kódolása leolvasási hibákat okozhat. Ezért a mérőlécek (legalábbis a jobbak) Gary kódolásúak. Ahhoz hogy a leolvasott érték alkalmas legyen a számítógépes feldolgozásra, a Gary kódot bináris kóddá kell alakítani. A táblázatban feltüntettük a decimális és bináris kódoknak megfelelő Gray kódokat. A Gary-3 hármcsatornás (3 bit), a Gray-4 négycsatornás (4 bit) stb. A Gray kód lényege, hogy ahogyan előrehaladunk a számolással, mindig csak egyetlenegy bit értéke fog megváltozni (sohasem egyszerre kettő vagy több is mint a bináris kódolásnál). Az említett átalakításra egy dekódoló kombinációs (logikai) hálózatot kell felépíteni, a mellékelt táblázatnak megfelelően. Egy ilyen kombinációs hálózatot logikai áramkörökből lehet felépíteni (pl. használhatjuk a 74XX sort). Ilyen dekódolókat készen is lehet vásárolni. Diplomamunkaként inkább digitális elektronikából érdekes. 31 11111 10000 Ha irányítástechnikai szemmel nézzük a dekódolókat, azt egy követővezérlésnek nevezhetjük. Egyazon bemeneti kombinációnak (ebben az esetben a 3, 4 vagy 5 bites Gray kód) mindig ugyanaz a kimeneti kombináció (ebben az esetben 3,4 vagy 5 bites bináris kód) felel meg. Mint ahogyan későbbiekben (a vezérléstechnika tárgyalásakor) látni fogjuk itt nincsenek programlépések illetve szekvencák. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

6.2 Az aktorok csatlakoztatói Az irányítástechnikai szakember számára gondot okozhat, hogy az aktorok csatlakoztatóit hova sorolja. Mondhatnánk azt is, hogy ezek inkább beavatkozó szervek, míg mondjuk maga a villanymotor a végrehajtószerv. Sokan használják a működtetőelem fogalmát is (pl. mint korábban láttuk a pneumatikában). Fogadjuk el, hogy mindez nézőpont kérdése. 6.2.1 Erősáramú kapcsolókészülékek Megjegyzés: Az Erősáramú elektrotechnikusok több tantárgy keretében is tanultak az erősáramú kapcsolókészülékekről. A Számítógépelektrotechnikusok az Elekrtoenergetika tantárgy keretében kaptak néhány alapvető információt. Ezért itt tömören ismertetjük az irányítástechnika szemszögéből a leglényegesebb tudnivalókat.

60 / 159


Az erősáramú kapcsolókészülékek nagy áramerősségek ki-bekapcsolására szolgálnak. A megszakítóképesség szerint lehetnek: Szakaszolók (csak elválasztásra szolgálnak), terheléskapcsolók (a terhelési, fogyasztói áramot képesek kapcsolgatni) és megszakítók (a rövidzárási áramot is képesek megszakítani). Az érintkezőket működtethetjük kézzel (pl. nyomógombok, bütykös kapcsolók), valamilyen fizikai mennyiséggel (nyomás, hőmérséklet, véghelyzet stb), elekromágnessel, sűrített levegővel, rugóerővel stb. Ez utóbbiak távvezérlésre is alkalmasak. A működtető elektrómágneseket összeköthetjük a jelfeldolgozóval (PLC, mikrokontroller stb.). A segédérinkezők visszajelzésre szolgálnak, nyugtázzák a főérinkezők állapotát. A képen egy mágneskapcsoló és egy megszakító elektromos shémáját ábrázoltuk. A kontaktorokat leginkább motorok ki-be kapcsolására szokták használni. A megszakítók mint mondtuk rövidzárat is képesek megszakítani. A képen látható megszakító két energiatárolóval rendelkezik. Egyikben a bekapcsolásra, másikban a kikapcsolásra tárolja az energiát (pl. rugóerő). A rugókat egy motorral, vagy kézi erővel lehet felhúzni. A motorral sorbakötött véghelyzetkapcsoló bisztosítja, hogy nehogy a rugót a motorral túlhúzzuk. Viszonylag kis elektromágneses kioldók segítségével lehet a rugózárat felszabadítani, és ezáltal a megszakítót bekapcsolni vagy kikapcsolni. Erőművekben, transzformátorelosztó-állomásokon valamint az iparban használják. 6.2.2 A teljesítményelektronika eszközei Megjegyzés: Teljesítményelektronika tantárgyat csak az Erősáramú elektrotechnikusok tanulnak, a Számítógépelektrotechnikusok nem. Ezért itt tömören ismertetjük a legalapvetőbb és az irányítástechnika szemszögéből a leglényegesebb tudnivalókat. A teljesítményelektronika feladata olyan eszközök létrehozása, amelyek segítségével a villamos energiát tudjuk egyik formából a másikba alakítani. Ezek az eszközök nem tartalmaznak mozgó alkatrészeket (motor, generátor), hanem erősáramú elektronikus elemekkel vannak megoldva. A telyesítményelektronika eszközei nagy energiaszintű (teljesítményű) villamos energia átalakítására szolgálnak (100W, 1kW, 100kW, 1MW sőt több), ezért elsődleges szempont a jó energetikai hatásfok. A jelátalakítóknál a jel (információtartalom) megörzése a fő feledat (az energiaszint alacsony), az energetikai átalakítóknál pedig a kis energiaveszteség a fő cél. A készülékek működése szinete kizárólag a villamos áram ide–oda kapcsolgatásán alapul. Az áram útjába úgynevezett elektronikus szelepeket helyeznek. Ezek átengedhetik az áramot egyik irányba, míg a másikba nem, külső parancsra (a tirisztoroknál ezt gyújtásnak nevezik), vagy csak feszültségpolarizációtól függően. A legismertebb ilyen elektronikus elemek (szelepek) a dióda, tirisztor, tranzisztor, MOSFET, IGBT, GTO stb. amelyek mindig csak ON/OFF üzemmódban működnek. A folyamatosan nyitható szelepet is, mint például a tranzisztor, csak zárt, illetve teljesen kivezérelt állapotban működtetik. Ugyanis az energiaveszteség (a nagy teljesítmények miatt) amely félig lezárt állapotban jelentkezik nem engedhető meg. Ezenkívül a készülékek még nagykapacitású kondenzátorokat, és nagyinduktivitású fojtótekercseket is tartalmazhatnak. A alábbiakban részletesebben is foglalkozunk az egyes átalakítók leírásával.

61 / 159


(fakultatív)Egyenirányítók. Válatakozó áramot alakítanak egyenárammá. Ha a kimenő DC feszültség értékét tudjuk változtatni, akkor vezérelhető egyenirányítóról beszélünk. A vezérelhető egyenirányítókat leginkáb tirisztorokkal szokták megvalósítani. Legyakoribb a hídkapcsolás monofázisú vagy háromfázisú kivitelben. Legismertebb alkalmazások: -Egyenáramú motorok táplálása. Igy lehet a motor fordulatszámát változtatni. -Akkumlátorok és akkumlátortelepek töltése szabályozott árammal. -Galvanizációs kádak, elektrolízis stb. ahol változtatható egyenfeszültségre van szükség. -Elektromos vontatás. Pl. villanymozdonyok.

(fakultatív) Váltóirányítók (inverterek). Az egyenáramot alakítják váltakozó árammá. Ha csak akkor tudnak működni, amikor már létezik egy olyan váltakozó áramú hálózat amelyben más feszültségforrás diktálja a frekvenciát, amely képes a hálozatnak reaktív energiát is szolgáltatni, akkor természetes kommutációjú, vagy hálózatról vezetett inverterről beszélünk (viszatáplálás a hálózatba-rekuperáció). Ezzel ellentétben kényszerkommutációs inverter képes önnálóan működni. Egyenáramból (pl. akkumlátortelep) váltakozó áramot előállítani a külső hálózat segítsége nélkül is. Ez utóbbiak szerkezete jóval bonyolultabb. Leggyakoribb alkalmazások: -Energiavisszatápláló (rekuperatív) fékezés az egyenáramú motoroknál. -Szükségáramforrások (akkumlátorról, váltóáram), pl. számítógépközpontok, bankok stb. (fakultatív) Egyenáramú átalakítók (chopper). Egyenáramú szaggatóknak is hívják. Egy adott feszültségű egyenáramot más feszültségű egyenárammá alakít. Lehet olyan kivitel is amikor a bemenőfeszültséget csökkenti, vagy olyan is amikor növeli. Az energiaáramlás is lehet egyirányú vagy kétirányú. Az előbbiekben említett PWM moduláció is valójában egy nagyon kis teljesítményű feszültségcsökkentő egyenáramú átalakítónak fogható fel, amely az energiát csak egyirányba, a nagyobb feszülségű oldalról a kisebb felé tudja 62 / 159


szállítani. A képen feszültségcsökkentő chopper-re adunk példát. Köztudott hogy a tirisztort a gate (géjt) segítségével csak gyújtani lehet (kikapcsolni nem), mégpedig akkor amikor a tirisztor pozitívan van polarizálva. Az eloltására negatív (inverz) polarizációs feszültséget kell előállítani, amelyet egy ideig a tirisztorra kell kötni, hogy az bisztonságosan kialudjon.. Az oltókör egy segédtirisztorból, induktivitásból, kondenzátorból és diódából áll (az ábrán nincs részletesen feltüntetve). Szükséges még, hogy a fogyasztóval-motorral (ellen)párhuzamosan kössünk egy szabadonfutó diódát is (nulldióda). A tirisztor kikapcsolásakor ezen keresztül fut tovább a motor árama. A motorral egy fojtótekercs van sorbakötve. Ez a nagy induktivítás felveszi magára a kimenőfeszültség váltakozóáramú komponensét és símítja a motoron áthaladó áramot. Leggyakoribb alkalmazások: -Akkumlátortelepről táplált egyenáramú motor. Pl. a villás targoncáknál. -Trolibuszok ahol a tápvezeték egynáram, és a hajómotor is egyenáramú. Frekvencia és feszültségátalakítók. Adott feszültségű és frekvenciájú villamos energiát alakítanak más feszültségű és frekvenciájú villamos energiává. Ne keverjük össze a transzformátorral, amely csak a feszültségszinten változtat a frekvencián nem. A tirisztoros (vagy triak) váltakozóáramú szaggató is csak a feszültséget tudja változtatni (csökkenteni) míg a frekvenciát nem. Egy ilyen berendezés egy egyenirányító és egy váltóirányító sorbakapcsolásával is megoldható. Az energiaáramlás lehet egyirányú vagy kétirányú. Leggyakoribb alkalmazások: -Aszinkron motorok táplálása változtathtó feszültséggel és frekvenciával. -Két nem összeszinkronizált villamos energiaforrás (vagy hálózat) összekapcsolása. -Tirisztoros szinkron alatti kaszkád, a csúszógyűrűs motorok fordulatszámszabályozására. (fakultatív) Az elektronikus szelepek vezérlése. A tranzisztorok, IGBT-ék, tirisztorok bekapcsolására illetve kikapcsolására (egyes esetekben gyújtásnak nevezik) különleges kivitelű elektrónika szükséges. Ez az elektrónika kell, hogy megformálja a vezérlőjelek illetve a gyújóimpulzusok alakját (feszültség és áramszint), azonkívül legtöbbször galvanikus elválasztásra is szükség van. A galvanikus elválasztást impulzustranszformátorok, esetleg optokopplerek bisztosítják. Megszerkesztésükhöz ismerni kell az elektrónikus szelepek gyújó és vezérlőkarakterisztikáit. Az egyszerűség kedvéért ezt a működtető elektrónikát meghajtó elektronikának (driver) fogjuk nevezni. A tirisztorokat, IGBT-éket gyártó cégek gyakran meghajtóelektronikát is kinálnak az erősáramú elemeik mellé. Egyik végükön az elektrónikus szelepekhez köthetők, a másikon pedig közvetlenül a mikrokontroller portpinjeire (például IGBT-driver). A meghajtóelektronika (driver) a jelfeldolgozó elektrónikától (pl. mikrokontroller, vagy műveleti erősítő) kapja a jeleket a megfelelő kapcsolási sorrend illetve időpont és fázishelyzet bisztosítására. A jelfeldolgozó ezenkívül bementi jeleket kap az átalakító állapotjellemzőiről (feszültség, áramerősség, frekvencia, fáziseltolódás), esetleg a folyamat további jellemzőiröl (a motor fordulatszáma, megtett út, pozició, nyomás stb.). Mint mindig a jelfeldolgozó az embertől, illetve egy másik készüléktől is kaphat parancsadó és vezérlőjeleket. Az alkalmazott jelfeldolgozásra minden korábban elmondott elv vonatkozhat (vezérlés-szabályozás, analóg-diszkrét stb.).

63 / 159


A teljesítményelektronikai készülék mint beavatkozószerv. Amint láttuk a felvázolt teljesítményelektronikai eszköz (energetikai átalakító + driver + jelfeldolgozó) önmagában nézve is egy zárt irányítástechnikai rendszert képez. Az ilyen rendszerek igen összetettek lehetnek, és gyakran egy fizikai egységben (házban, tokban, elosztószekrényben) vannak megvalósítva. Ha ezeket az eszközöket készen vásároljuk (pl. frekvenciaváltó az aszinkron motorokhoz), úgy is tekinthetünk rájuk mint egy csatlakoztatóeszközre, amely kapcsolatot terment a fölérendelt irányítóberendezés és a végrehajószerv (pl. motor) között. Beavatkozószervként is értelmezhetjük, sőt az egészet úgy is felfoghatjuk mint egy összetett rendszert. Más szóval mint egy kisebb (vagy több kisebb) rendszert a nagyobb rendszerben. Az ábrán két funkcionális egységet ábrázoltunk (Egység1 és Egység2). Mindkettő önmagában nézve is egy zárt irányítástechnikai rendszert képez. Energetikai átalakítóból (a szükséges meghajtókkal és jelfeldolgozóval), valamint egy motorból áll. A fölérendelt irányítóberendezés számára pedig ezek az egységek egy-egy aktorként is felfoghatók. 6.2.3 Mechanikus, pneumatikus stb. csatalakoztatók Mint mondottuk az irányítástechnikai rendszerben végifutó jelek hordozói különböző fizikai mennyiségek lehetnek (elmozdulás, nyomás) és nem csupán elektromos jelek. Ezeknek a jeleknek a jellemzőit is össze kell hangolni, és szükség szerint egyik a másikába átalakítani. Az elmozdulás mértékét legegyszrűbben egy emelőkarral tudjuk megváltoztatni (növelni vagy csökkenteni). A sűrített levegő (vagy olaj) nyomását (amit jelként kell felfogni) is lehet nyomáserősítőkkel növelni vagy csökkenteni. A mai rendszerknél azonban arra törekszünk, hogy ezeket a jeleket minnél előbb elektromos jelekké alakítsuk, illetve a végelemek (végrehajószervek) közelében ha szükséges visszalakítsuk.

6.3 Hírközlőcsatornák A jelek továbbítása a szenzorktól a jelfeldogozóig, valamint a jelfeldolgozótól az aktorkig, illetve az ember és az irányítástecnnikai rendszer között hírközlőcsatornák igénybevételével történik. Ez a témakör is csak tágabb értelemben tartozik az irányítástechnikához. Részletesebben a telekommunikációs szakemberek foglalkoznak vele. A jelek továbbítása túlnyomórészt elektromos formában történik. Szólunk a hagyományos vezetékes (rézdrótos) hírközlőcsatornakról. A jelfeldolgozókat (számítógépeket, mikrokontrolerreket és PLC-ket) összekötő számítógépes hálózatokról, a drótnélküli (rádióhullámon történő) adatátvitelről, valamint a legnagyobb mértékű jelátvitelt bisztosító optikai kábelekről. 6.3.1 Hagyományos vezetékes hírközlőcsatornák Az elektromos jelek átvitelének hagyományos módja a villamos vezeték, a gyakorlatban pedig a rézdrót. Az analóg jelek esetében a makszimálisan áthidalható távolságot a zavarok korlátozzák. Minnél hosszabb a vezeték, annál nagyobb feszültséget indukálhatnak bennük a külső (elektomágneses jellegű) zavarok. A zavarok hatása árnyékolt kábelek alkalmazásával csökkenthető. A csavart érpár is kevésbé érzékeny a zavarokara. Ha a jel energiaszintje magas akkor is kevésbé érzékeny a zavarokra. Például a feszültségjel esetében (0-10VDC) ha a jelforrást jobban terheljük (kisebb ellenállás) a zavarok hatása is csökken. Mivel a mérőműszerek bemenő ellenállása nagyon nagy (ez különben jó tulajdonság) a távoli mérőműszerrel párhuzamosan köthetünk egy ballaszt ellenálást csakhogy a jelforrást jobban megterheljük. Ekkor azonban a nagyobb áram következtében fellépő feszültségesés okozhat gondokat. További tények-megállapítások: Az áramjellel nagyobb távolság hidalható át mint feszültségjellel. A differnciális feszültségjellel nagyobb távolság hidalható át mint olyan feszültségjellel amely igényli a közös nullát. 64 / 159


Bitbillegtetés. A digitális jeleket bitbillegtetés formájában lehet továbbítani (pl. a 0V és az 5Vos sorozat váltogatja egymást). A vezetéknek azonban a hosszanti ellenállásán kívül, hosszanti kapacitása és hosszanti induktivitása is van. A magasfrekvenciás jelek továbbításánál ezek a tényezők korlátozzák a makszimális átviteli távolságot. A jelek nemcsak hogy gyengülnek, hanem az induktivitás és a kapacitás miatt (négyszögjelekről és nem szinuszhullámokról lévén szó) eltorzulnak. Minnél magasabb a frekvencia (a bitbillegtetések gyorsan követik egymást) annál nagyobb az egységnyi idő alatt átvihető adatmennyiség, azonban annál kisebb az áthidalható távolság. Moduláció. Nagyobb távolságot hidalhatunk át, ha a jelet magasfrekvenciás elktromágneses hullámokra ültetjük (moduláljuk). Ezek a hullámok a vezetéken (például a koaksziális kábel), más fizikai elven terjednek, mint az áram (feszültségjel vagy áramjel). A modulációnak több elve ismert: amplitúdó, frekvencia, fázis, kombinált, -moduláció. A klasszikus modulácós eljárások esetében a vivőhullám frekvenciája néhányszor magasabb kell, hogy legyen mint a rámodulált jel frekvenciája. Fejlett szintű (advanced) modulációs eljárások is léteznek amelyeket a telefonmodemeknél vagy az ADSL kapcsolatoknál alkalmaznak. Például a telefonvonal sávszélessége minössze 3000 Hz, mégis a korszerű modemek 36(56) kbit/sec átviteli sebességre képesek. Minnél nagyobb a vivőfrekvencia annál nagyobb az átvihető jelek száma. Az adattömörítő eljárások az egységnyi időben átvihető jelek számát tovább növelhetik (pl. a hang és a kép digitális átvitele). Multiplexelés. Egy rézpáron (vonalon) több párhuzamos (független) hirközlőcsatornát is kialakíthatunk. A bitbillegtetés esetében ez úgy történik, hogy mindegyik csatornának bisztosítunk egy időrést. Természetesen összetett elektronikának (ma már készen kapható VLSI chipek vagy chipszettek) kell gondoskodnia a jelek összenyalábolásáról, megcsapolásáról illletve teljes szétválasztásáról. A másik megoldás az egymástól független csatornák létesítésére, több egymást növekvő sorrendben követő vivőfrekvencia alkalmazása. Mindegyik vivőfrekvenciára rámoduláljuk a hasznos jeleket és mindezt egy közös vezetéken továbbítjuk. A vivőfrekvenciák (magasfrekvencia) szétválasztása a vevő oldalon filterek segítségével történik. A hasznos jelek leválasztását a vivőfrekvenciáról demodulátorok végzik. 6.3.2 Kommunikációs (számítógépes) hálózatok Ma már az aktorok és a szenzorok működtető elektronikája is mikrokontrolerrek (egy kisebb teljesítményű számítógép) segítségével van megoldva. Az ilyen eszközöket a szakma intelligens aktoroknak és szenzoroknak nevezi. Ezenkívül a jelfeldolgozás is fel lehet osztva több kisebb mikrokontroller és PLC között. Mindez szükségessé teszi ezen eszközök között a kommunikációt. Az irányítástechnikában fontos a jelek meghatározott időbeni átvitele. Az olyan számítógépes hálózatokat amelyek a jeleket, előre definiált pontos időközökben át tudják vinni, determinisztikus hálózatoknak nevezik. Az álltalunk ismert Ethernet és az Internet sem, ilyen számítógépes hálózat. Az Ethernet esetéban a hálózaton levő számítógépek véletlenszerű időközökben próbálnak a hálozathoz hozzáférni. Túlterhelt hálózat esetén, nem bisztos, hogy garantálni lehet a szükséges rövid időt a hálózathoz való hozzáféréshez (kivétel az ipari Ethernet). Ezenkívül ezek a protokollok túl komplikáltak ahhoz, hogy egy kisebb teljesítményű mikrokontroller fel tudja dolgozni.

65 / 159


Emlékeztető. Néhány számítógépes hálózatokra vonatkozó fogalom HOST-Gazdagépek amelyek hálózatba vannak kötve IMP (Interface Message Processor) - Az információk fogadást, küldését és szétosztását megvalósító elemek PP (Point-to Point) Pont-pont összeköttetés Üzenetszórásos csatornahasználat A kommunikáció iránya: Simplex (csak egy irányba történhet a jelátvitel), Half Duplex (fél duplex, mindkét irányba történhet a jelátvitel, csak nem egyszerre hanem felváltva), Full Duplex (egyszerre mindét irányba lehetséges a jelátvitel)

Frame. Adatkert

A korszerű irányítástechnikai rendszereknek fő meghatározója az építőelemek közötti széleskörű kommunikáció. A fejlesztések is leginkább erre a területre összpontosulnak. A vezető gyártócégek is reklámanyagaikban a kommunikációs képességeket helyezik a középpontba. Ezért ezzel a témával részletesebben is foglalkozunk. Az anyag legnagyobb része fakultatív (az iskolaprogramban nincs előírva), de diplomamunkák kindulóponjaként jól használhatók. Az Internet (világméretű hálózatok-hálózata), és a mobiltelefon használatáról az irányítástechnikában a jegyzet végén fogunk foglalkozni. Mivel a hálózati eszközök a legegyszerűbb szenzoroktól (pl. hőmérékletérzékelő), különböző perifériatipusoktól (LCD kijelző, külső memória, I/O bővítő), mikrovezérlőktől, PLC készülékektől a PC számítógépekig terjednek, a kommunikációval kapcsolatos követelmények is nagyon szerteágazóak. Bizonyos eszközök kevés információ gyakori küldését igénylik. Más esetben az adatkeretek lehetnek hosszúak és nincs szükség ismétlésre. Különböző igények mutatkoznak az áthidalható távolságokra (egy nyomtatott áramkörön belül, vagy a terepen széthelyezett eszközök között). Az irányítástechnikában, alkalmazástól és gyártócégekől függően, egy csokorravaló kommunikációs interfésztípust, hálózattípust, és protokollot használnak. A teljesség igénye nélkül ezekről adunk egy rövid áttekintést. RS-232C soros interfész. Univerzális szinkron vagy aszinkron soros kommunikációs port USART. A PC számítógépek álltalában 2 ilyen porttal rendelkeznek, azonban az újabbaknál kezdik kihagyni. Csak két eszköz összekötésére alkalmas (pl. PC és PLC vagy mikrokontroller). Az átviteli távolság max.15m, a makszimális sebesség 20kb/s. Három vezetéket igényel RX (vevő) TX (adó) és a GND (közös nulla). Szinte mindegyik mikrokontroller tartalmaz ilyen beépített interfészt. Ha az RX-GND, vagy TX-GND feszültsége 5-25V tartományban van az logikai 0-át, ha pedig negatív feszültségű logikai 1-et jelent. Mivel a mikrontroller lábira kivezetett RX és TX csak 0/5V feszültséget bisztosít, ezért egy feszültségszintátalakítóra is szükség van amely előállítja a megfelelő feszültségű ±10V (vagy ±12V) jelszinteket. Erre a célra leginkáb a MAX232 típusjelzésű IC-t használjuk.

66 / 159


Az RS232-es interfészekhez regiszterek is tartoznak, amelyek a mikrokontoller programjából írhatók és olvashatók. Az egyik regiszterrrel az USART üzemmódját lehet beáálítani, mint amilyen az adathosz (7 vagy 8 bit), átvieli sebesség (pl. 2400 bit/s), paritás (igen/nem), stop bitek száma. A másik regiszerből kiolvashatjuk a beérkezett bájt értékét, vagy ugyanilyen regiszterbe írjuk a küldendő bájt értékét. A bitek egymásutánban történő küldése (ütemezése) és fogadása, a kontrollbitek hozzáragasztása, valamint ezek alapján fogadáskor az ellenörzések elvégzése, a beépített RS232 hardverének a feledata. Fontos hogy a kommunikációs port üzemmódja mindkét eszköznél (pl. PC és PIC) azonos legyen. Mi mindig a következő üzemmódot fogjuk használni. Adathossz 8 bit, sebesség 9,6 kbit/s, stop bitek száma 1, paritásvizsgálat nincs. Azonkívül mi mindig aszinkron adatátvietellel fogunk dolgozni, ami azt jelenti hogy nincs szükség még egy (vagy kettő) szinkronizációs vezetékre. Ha magasabb szintű (Basic, C, Pascal), vagy speciálisan PLC-re kifejlesztett (pl. Ladder) programnyelveket használnunk, az imént említett speciális regiszterekről szinte semmit sem kell tudnunk, tekinteve hogy a kommunikációra kész eljárások, függvények, procedúrák, vagy blokkok, állnak a rendelkezésünkre. Funkció Beállítás Elküldi a PC_nek bájtot a soros portra Ha jött adat a soroson fogadjuk és a PC_tol változóba helyezzük

CControl BASIC Alapbeállítás 9600,n,1 put PC_nek

BASCOM (8051) Dialógusablakból

mikroBASIC (PIC) Usart_Init(9600)

Printbin PC_nek

Usart_Write(PC_nek)

if RXD then get PC_tol

Pc_tol = Inkey()

if Usart_Data_Ready = 1 then PC_tol = Usart_Read

Ha a másik kommunkációs eszköz PC-számítógép, akkor az adatok küldésére és fogadására használhatjuk a Hyper terminál kommunikációs programot (a Windows része), vagy valamilyen másikat a sok választható közül. Azonban saját programot is írhatunk (például Visual Basic-ben, vagy C-ben). (fakultatív) RS-485 soros interfész. Az aszinkron soros kommunikáció UART, megfelelő áramköri kialakítással több készülék közötti kommunikáció megvalósítására is használható (RS422, RS485). Az RS485-ös hálózatra maximum 32 leadó és 32 felvevő, illetve 32 mindkét irányba kommunikálni tudó készülék köthető. Az elérhető legnagyobb sebesség 10Mbit/s. Az áthidalhtó legnagyobb távolság 1200m, azzal hogy a távolság növekedésével az elérhető sebesség csökken. A szabvány ezt pontosan rögzíti. Ennél az inrefésznél nincs közös nulla, hanem két vezeték ahol a jel differenciális feszültség formájában van jelen (minimum ±200mV vehető, minimum ±1.5V-ot kell küldeni de nem többet mint ±7V). A hálózaton egyszerre csak egy aktív leadó lehet a többi pedig felvevő (akár mind a 32 egyszerre). Azt hogy egyszerre ne legyen két leadó a vonalon programozással (szoftveresen) kell megoldani. 67 / 159


Legegyszerűbb megvalósítás a Master(mester)/Slave(szolga). A mester a kommunikáció irányítója, egy címet tartalmazó üzenetet küld a kommunikációs vonalra kapcsolt többi egységnek, az ún. szolgáknak. Ezt üzenetszórásnak nevezzük (egy kérdez a többi figyel). Amelyik szolga felismeri az üzenetben a saját címét, válaszol és utána elkezdődhet a kommunikáció. Tehát a szolga is lehet leadó, de csak akkor amikor a mester engedélyezi, saját maga nem kezdeményezhet kommunikációt. A kommunikáció gyakran 9-bites adathosszal történik. Ha a legmagassabb (tehát kilencedik) ún. kontrollbít értéke 1, akkor az üzenet címet tartalmaz, ha pedig a kontrollbít 0, az üzenet adatot tartalmaz. Így a kommunikáció észszerűsíthető, és nem kell a szolgáknak mindenre figyelniök (csak a címekre).

(fakultatív) További adatátvitelre szolgáló interfészek és hálózatok Párhuzamos intefész LPT. A PC számítógépeken 1 ilyen port van azonban az újabbaknál kezdik kihagyni.Régebben a nyomatók csatlakoztatására szolgált. Olyan aplikációk készíthetők (pl. relémodul) ahol a program a PC-én fut, a kivülálló panelon pedig csak bemenetek és kimenetek vannak de mikrokontroller nincs. USB soros interfész. Négyvezetékes. Két vezetéken történik a kommunikáció, a másik kettő az eszköz áramellátására szolgál (5V). Felfűzött topológiájú, lekérdezéses alapú mester-szolga típusú félduplex kommunikációt valósít meg. Négy adatátviteli formát támogat (különböző csomagtípusok). Minden keret, amely több csomagból áll 1msec alatt kerül továbbításra. A hoszt (álltalában egy PC) minden szolga (eszköz) számára bisztosít egy vagy több bítcsövet (csatorna). A szolga csatlakoztatásakor egy rezervált bítcsövön keresztül megbeszélésre kerül a kommunikáció formája és a bitcsövek száma. Ha nincs több kiosztható bítcső (betelt a sávszélesség) az eszköz vissza lesz utasítva. Ilyenkor valamelyik nem használt eszközt le kell választani. A PC számítógépeken 4-6 ilyen port van beépítve. Az RS232-es és az LPT kiváltására hivatott. Egyes mikrokontrollerekbe kezdik perifériaként beépíteni (pl. PIC18F4550, de csak mint szolga). Ezekkel olyan eszközöket készíthetünk amelyek a PC USB portjára csatlakoztathatók. Az USB1.1 12(1,5) Mbit/s sebességű, míg az USB2.0 480 Mbit/s. Ezen osztoznak a bítcsövek. A makszimális 68 / 159


kábelhossz 5 illetve 3m lehet. Egy PC számítógép összesen 500mA áramot tud bisztosítani a szolgák számára. Üzem közbeni csatlakoztatáskor a szolgák (vendégek) a szükséges áramértéket is tudatják a hoszttal. A szolgák száma HUB-okon keresztül bővíthető (max 127 egy vezérlőhosztra). CAN busz (Controller Area Network) R. Bosch. Kétvezetékes CANH és CANL. max. 1Mbit/s, max. 1000m. Csomópont 16-112 a drajvertől függően. Címek nincsenek. Üzenetalapú kommunikáció. Egy adott eszköz amikor adni kezd az adatkeret elején tudatja, hogy az üzenete miről fog szólni. A többi eszköz veszi az üzenetet és a fejléc alapján eldönti, hogy fogadja (feldolgozza) vagy ne. A résztvevők egyenrangúak, de mivel az átviteli közeg közös ez azt jeleni hogy egyszerre csak egy leadó lehet a vonalon, A közeghozzáférést, illetve az esetleges ütközések elkerülését a CAN protokol definiálja. A leírtak megvalósítását speciális CAN chipek végzik, esetleg a teljes funkcionalitás a mikrokontrollerbe is be lehet építve. Eredetileg az autókon elhelyezett vezérlők közötti kommunikációra lett kitalálva, de az ipari alkalmazásokban is elterjedt: CANopen, DeviceNet, SDS. I2C busz (Inter Integrated Circuit), Philips. SSP (Synchronus Serial Port), soros szinkron adatátvitel. Háromvezetékes. Egy panelon belül elhelyezett mikrokontrollerek, memóriachipek és egyéb IC-ék közötti kommunikációra szolgál (pl a videókészülékeknél az IC-ék ilyen buszon kommunikálnak). Átviteli sebessége 100-400 kbit/s. Félduplex, mester/szolga hálózat. SDA-Serial Data (az adatokra), SCL-Serial Clock (az órajel, ezért szinkron az adatátvitel). Több mester is lehet a buszon (Multimaster) de egyszerre csak egy uralhatja. Ezért szükséges a versenyhelyzet feloldása (arbitration). SPI busz (Serial Peripherial Interface), Motorola. SSP (Synchronus Serial Port), soros szinkron adatátvitel. Négyvezetékes. Két vonalon összekötött shift regiszter (MOSI-Master Out Slave In és MISO-Master In Slave Out), valamint SCLK – Serial Clock (mester által küldött órajel és SS – Slave Select (a szolga kiválasztása). Sok perifériaegységet terveznek SPI kommunikációra (A/D konverter, LCD vezérlő, ISD hagchipek). Előny hogy az adthossz tetszőleges (nem bájthossz) LIN busz (Local Interconnect Network), Autóipar Európa. Egyvezetékes (GND lehet a masszaatóváz, ezért nem számoljuk). Félduplex, mester/szolga hálózat. Aszinkron, bájt jellegű protokol (hasonlóan mint az RS232). Maximális sebesség 20kbit/s, maximális távolság 40m. A SLEEP (szundi) üzemmód a kis fogyasztást szolgálja. Az autókon a CAN busz kiegészítésére szolgál. 1-Wire™ (OneWire bus), Dallas Semiconductor. Három (kettő/egy) vezetékes (GND, 1-Wire, VCC). Ha a tápfeszültséget a buszról kapja a VCC-re nincs szükség (Parasitically Powered), a GND pedig lehet a közös massza (fémváz). Olcsó. Max. távolság 300m. Átviteli sebesség 16 (100) kbit/s. Érdekesség a 64 bites unikát cím. A cég több apró eszközt (chip, iButton) is kinál amelyek a buszra felfűzhetők. Legelterjedtebb a DS18S20 háromlábas hőmérsékletszenzor, DS2890 digitális (256 fokozatú) potencióméter, DS2460 négy csatornás A/D átalakító, DS2408 8 drb. kapcsoló, stb. Ethernet IEE 802.3 szabvány. Lokális számítógépes hálózatok (LAN) létesítésre használják. A résztvevők főleg PC-ék, de ma már egyes PLC-ék és más intelligens eszközök is az Ethernetre köthetők A hálózatra kötött számítógépek közös buszt használnak, azonban switch-ek megjelenésével ez az elv némileg módosult. Az átviteli közeg lehet 50Ω –os koax kábel (10Mbit/s), vagy csavart érpár (100Mbit/s).

69 / 159


HART busz (Highway Addressable Remote Transduce). Rosemont Inc. 1993. Az analóg (4-20mA áramjel) és a digitális jelátvitel kombinációja. A távadó (pl mérőműszer) továbbra is analóg formában szolgáltatja a jelet, de erre FSK (Frequency Shift Keying) modulációval digitális jeleket ültetünk. Az FSK két különböző vivőfrekvenciát használ egyiket a logikai 0 a másikat a logikai 1 kódolására. A HART busz estében ezek a frekvenciák 1200 (logikai 1) illetve 2400Hz (logikai 0). Ez a viszonylag „magas” ferkvenciás (füllel is hallható) váltakozóáram, amelynek középértéke nulla, nem befolyásolja a lassan változó analóg jel (4-20mA áramjel) értékét. A digitális jel átviteli sebessége 1200 bit/sec, a legnagyobb átviteli távolság pedig (árnyékolt kábel esetén, amelyben csavart érpár húzódik) 3000m. Az HART busz alkalmazása ott indoklot ahol valamikor áramjeles mérőműszereket használtak. A régi vezetékek megmaradnak, de az új módszer lehetővé teszi a kihelyezett mérőműszerrel való kommunikációt (paraméterek távolról történő beállítása stb.). Az eredeti HART pont-pont (mérőműszer-adatfeldolgozó) kommunikációt valósít meg, ahol az adatfeldolgozó a mester a mérőműszer pedig a szolga. Multidrop kialakítás is lehetséges. Több szolga, max, 15, sőt két mester is természetesen felváltva. Erre utal a HART rövidítése is: buszon címezhető terepi mérőátalakító. Azonban ekkor az analóg jelátvitel (4-20mA) többé nem lehetséges. A HART kommunikációs protokollja bájt alapú. Eszerint max. 256 parancs létezhetne, de ennél többre van szükség, ezért a 254es parancs egy bővítést jelez, utána megint következhet egy egybyte-os parancskód. Így összesen 511 parancs lehetséges. Azért van ilyen sok parancsra szükség mert a HART-os eszközök különbözőek (áramlásmérő, nyomásmérő, Ph méter, szeleppozicionáló stb.). Vannak univerzális, általános és eszköz specifikus parancsok. Ha kommunikációs programot akarunk írni akkor ezeket a parancsokat ismerni kell. A rendszer kivizsgálásához és szervizeléséhez egy készen vehető kommunikátort használnak. AS-interface. Kétállapotú (ON/OFF) érzékelő- és beavatkozó szervek felfűzhetők egy speciális kéteres kommunikációs kábelre, max. 100 méter. A sárga szinű kábelre (gerincre) bármely pontban felpattintható egy eszköz vagy elágazás vámpírcsatlakozója. A mester PC vagy PLC. A szolgák: szenzor, nyomógomb, mágnesszelep, stb. vagy max. 4I+4O csatornás I/O modul. A slave-ek száma max. 31 lehet. Egy eszközhöz max. 14 bitet kell átvinni. A busz igen gyors. Teljes kiépítettségnél (31 slave) az írási-lekérdezési ciklusidő 5 msec! A busz szabadon ágaztatható. Nem kell lezáró ellenállás. A busz tápfeszültséget is bisztosít az eszközök számára (max. 8A, a feszültség max. 25VAC vagy 60VDC). A szenzorokba és aktorokba beépítésre kerül egy pici AS-I chip, melynek segítségével az eszközök közvetlenül a buszkábelre csatlakoznak. A buszon - funkcióját tekintve négyféle elem lehet: Master, mely többnyire egy PLC, PC, vagy DCS interfészkártyája. Egy érpáron csak egy master lehet. Slave, mely lehet egyedi eszköz (szenzor, nyomógomb, mágnesszelep, stb.) vagy 4I+4O csatornás I/O modul. 70 / 159


Tápegység, mely megfelel a fentebb említett műszaki követelményeknek. Repeater, amire akkor van szükség, ha 100 méternél nagyobb távolságra kell elvinnünk a buszt. Egy érpáron max. 2 db. repeater lehet (egymás után). A vészhelyzeteket kezelő nyomógombokra külön szabványok vonatkoznak. Ennek a követelménynek az AS-i meg tud felelni, mégpedig olyan módon, hogy nem szükséges külön busz szegmenst létrehozni a biztonsági eszközöknek. A buszra csatlakoztatunk egy külön készüléket, mely önmaga egy apró biztonsági PLC-nek fogható fel. Ez a Safety Monitor. Ez figyeli a biztonsági eszközöket (stop-gomb, végálláskapcsoló, fényfüggöny, stb.) minden ciklusban. A Safety Monitor kimenetei végzik a biztonsági beavatkozásokat is, így az AS-i masterként működő PLC-nek nem kell biztonsági kivitelűnek lennie. Az alkalmazott módszer nagyon hasonlatos a ProfiBus-nál látott ProfiSafe, vagy a DeviceNet-es safety megoldáshoz. Profibus. Automatizálási feladatokra kifejlesztett rendszerbuszcsalád. Európában vezető szerepet tölt be. Legfőképp a Siemens által támogatott. Az OSI model magasabb rétegei is imlementálva vannak (7. Alkalmazási + Felhasználói rétegek) Profibus PA (Process Automation) mely a Foundation Fieldbus-szal azonos fizikai szinten, és terepi eszközök felfűzésére szolgál. Ezek leginkáb a klasszikusan értelmezett folyamatirányítás (vegyipar, kőolajipar) eszközei (áramlásmérők, nyomásmérők, szabályozószelepek, keverőszelepek stb.). Itt fontos a robbanásbisztos (Ex) kivitel is. Profibus DP (Distributed Peripheria) PLC-k és I/O modulok, komplex terepi eszközök közötti kommunikációra szolgál. A hálózaton levő eszközök inkább gyártásautómatizálási (Manufacturing) célokat szolgálnak (csomagoló-gépek, szállítószalagok, papír és huzalgyártóvonalak, nyomdagépek, robotok, flexibilis termelővonalak stb), Profibus FMS (...) mely a PLC-k feletti rendszerbusz feladatra van optimalizálva. Legelterjedtebb a Profibus DP. A fizikai átviteli közeg (réteg) lehet az RS485 interfész, vagy optikai kábel. Max. sebesség 12Mbit/s 100m távolságig, illetve 9,6kbit/s 1200m távolságig. A buszra maximum 32 eszköz (PLC, I/O, PC, hajtás, stb.) lehet felkötve. A fent említett kommunikációs interfészek és számítógépes hálózatok segítségével komplex rendszereket lehet felépíteni. Ezekben a rendszerekben különböző eszközök (aktorok, szenzorok, nyomtatók), PLC-ék, PC számítógépek találhatók, amelyek különböző szinteken kommunikálnak egymással.

71 / 159


Az első képen a rendszer középpontjában egy ipari kivitelezésű PC-t láthatunk (Microbox PC420Siemens). Az ilyen PC-ék a megszokott interfészeken kívül más kommunikációs modulokat is tartalmaznak (PROFIBUS, CAN-busz). A PROFIBUS-ra csatlakoznak a kihelyezett (terepi) I/O (kibemenő) egységek, amelyek a szenzorokkal és az aktorokkal vannak összekötve. A rendszer Etherneten kersztül csatlakozik a vállalat információs hálózatához. A második képen villamos hajtások (frekvenciaváltóról táplált aszinkronmotor, tirisztoros egyenirányítóról táplált egyenáramú motor, szervomotorok stb.) vannak a PROFIBUS-ra csatlakoztatva. Egy közös PLC (master) koordinálja a kommunikációt és a hajtások együttműködését. A kezelő (ember) intelligens panel terminálon (monitor és nyomógombok ipari kivitelben) keresztül tartja a kapcsolatot a rendszerrel (HMI). A PLC (ezálltall az egész rendszer is) Ethernet-en kersztül csatlakozik a vállalat információs hálózatához. Ha ezen a hálózaton WEB szerver is működik, akkor az Internetet lehetőségeit is bevonhatjuk a rendszerünkbe. Például E-mail ban tájékoztatjuk az érdekelteket a rendszer állapotáról, vagy távoli WEB-böngészővel (esetleg speciális programmal) távfelügyelhetjük a rendszert (termelési folyamatot).

72 / 159


A SIEMENS ipari elektrónikával, irányítástechnikával, hajtástechnikával méréstechnikával foglalkozó tevékenysége nagy területre terjed ki. A kép azt ábrázolja hogy a tevékenységi (termelési) körbe tartozó eszközök kivétel nélkül kommunikálni tudnak egymással (Totally Integrated Automation). 6.3.3 Drótnélküli hírközlőcsatornák A nagyobb távolságok áthidalására vivőfrekvenciás és modulációs adatátvitelre van szükség. Az elektromágneses hullámoknak pedig a terjedési közege inkább a levegő (vákum – éter), és kevésbé a rézdrót. Az „éterbe” sugározható elektromágneses vivőhullámokra és azoknak használatára nemzeti és nemzetközi szabályok vonatkoznak. Elektromágneses hullámok sugárzására csak bizonyos szubjektumok jogosultak és azért fizetniük kell az államnak. Ezeknek a szubjektumoknak a feladata (például a posta) a telekommunikációs infrastruktúra kiépítése, üzemeltetése és bérbeadása. Az irányítástechnikai szakemberek is, bizonyos díj ellenében, használhatják ezeket a hírközlőcsatornákat. Például a bérelt telefonvonal, SMS, GPRS, Internet. Emlékeztetőül a bal oldali Hullámhossz/frekvencia (c = 300000 km/s) táblázatban feltüntettük, az λ λ f =c/λ f =c/λ NÉV elektromágneses hullámok teljes [m] [Hz] tartományát (hullámhossz és frekvencia). 1,00E-09 1nm 3,00E+17 Röntgen A technika fejlődésével mind nagyob 1,00E-08 10nm 3,00E+16 frekvenciák kerülnek használatba, és 1,00E-07 100nm 3,00E+15 UV Fény ezzel a megvalósítható adatátvitel Hő 1,00E-06 1μm 3,00E+14 300000GHz mennyisége is rohamosan növekszik. 1,00E-05 10μm 3,00E+13 30000GHz Szerencsére a szabályozás megalkotói 1,00E-04 100μm 3,00E+12 3000GHz mindig hagynak egy-egy keskenyke mikro 1,00E-03 1mm 3,00E+11 300GHz frekvenciasávot szabad használatra is. hullám 1,00E-02 10mm 3,00E+10 30GHz Ezeket mi is ingyenesen használhatjuk, például távirányítási célokra. 1,00E-01 100mm 3,00E+09 3GHz Mobil Természetesen a kisugározható 1,00E+00 1m 3,00E+08 300MHz URH elektromágneses hullámok 1,00E+01 10m 3,00E+07 30MHz Rövidteljesítményének nagyságát (néha még az Közép1,00E+02 100m 3,00E+06 3MHz Hosszúidőtartamát is), a szabályok szigorúan 1,00E+03 1km 3,00E+05 300kHz Hullám rögzítik, és a hatótávolságok álltalában 1,00E+04 10km 3,00E+04 30kHz nem haladják meg a 100 métert. Ezek a 1,00E+05 100km 3,00E+03 3kHz frekvenciák: 433MHz 868MHz 1,00E+06 1000km 3,00E+02 300Hz 2,4GHz. A 2,4GHz-es rendszernél egy 1,00E+07 10000km 3,00E+01 3Hz kisebb frekvenciasáv (2,4-2,483GHz) áll a rendelkezésre, ami több párhuzamos csatornát biztosít. Ez utóbbin működik a drótnélküli Internet, meg a drótnélküli lokális számítógépes hálózat (WLAN) és a Bluetooth is. A lézer és infravörös fényt alkamazó Adó-Vevő párok könnyen telepíthetők háztetőkre, a kommunikáció teljesen digitális. A nagyobb távolság áthidalását lehetővé tévő energiakoncentráció miatt, rendkívül jól irányított, ami szinte lehetetlenné teszi az illetéktelen lehallgatást. A kommunikációhoz feltétel a láthatóság. IrDA néven szabványos megoldása is létezik (számítógép, mobiltelefon). Nagy fényerejű lézer adó alkalmazásával akár 2 km távolság is "átlőhető". Gyakran használják ezt kábelezés kiváltására beépített területen, folyók partján. Ha köd van, vagy esik az eső az baj. Segít a fénykábel! 6.3.3 Optikai (kábelek) hálózatok A fényt távközlére, nagyon régóta használják. Azonban a külső hatások (napsugár, időjárás) és a fény térbeni szóródása miatt a levegő mint átviteli közeg erős korlátozó tényező. Kézenfekvő volt átviteli közegként az üveg alkalmazása. Ezek az üveg fényvezetős kábelek, GOF (Glass Optical Fibre). Az átvitel három elem segítségével valósul meg: fényforrás – átviteli közeg – fényérzékelő. A fényforrás egy LED dióda vagy lézerdióda. A fényérzékelő egy fototranzisztor vagy fotodióda. 73 / 159


Az optikai szálas jelátvitel előnyei: -Az áthidalható távolság (közbeiktetott jelerősítők vegy regenerátorok nélkül) max. 100 km, míg a rézvezetékek esetén csak 1-2 km. -A legnagyobb jelátviteli (adatátviteli) sebesség optikai kábelek segítségével érhető el. -Érzéketlen a zavarokkal szemben (akár a magasfeszültségű távvezetékre is szerelhetjük) -Nehezen lehalgatható (különösen a katonaság számára érdekes) A Telekom (állami posta) a városok és országok közötti adatátvitel (pl. telefon, bérelhető linkek, Internet stb.) tulnyomó többségét optikai kábelek segítségével valósítja meg. Ezeket a telekommunikációs csatornákat (bizonyos díj ellenében) mi is használhatjuk. Az iparban és az irányítástechnikában azonban túl nagy távolságokra és átviteli sebességekre nincs szükség, ezért itt az átviteli közeg inkább a jóval olcsóbb műanyagszál. Szaknéven: POF (Plastic Optical Fibre). Az adó oldalon is csak közönséges LED diódát alkalmaznak, nem pedig koherens fényt kibocsátó lézert. Ezek a kábelek multimódus-úak (a fény az optikai szál faláról ide-oda verődve halad előre), az áthidalható távolság max. 50m illetve max. 500m (típustól függően). Egy optikai szállal megvalósítható a Half Duplex (mindkét irányba történhet a jelátvitel, csak nem egyszerre hanem felváltva), sőt a Full Duplex (egyszerre mindét irányba lehetséges a jelátvitel). kapcsolat is. Azonban a fényjelek mindkétoldali ki- és bevitele (fizikai csatolása) nehezen kivitelezhető. Ezért ha kétirányú adatátvitelre van szükség az összekötéseket külön optikai szálakon valósítják meg. (fakultatív) Az optikai kábelek fontosabb műszaki adatai: -A csillapítás. A= -10*log (Xki/Xbe) [dB, decibel]. Ez az érték az üvegszálak estében 0,2-2db/km, míg a műanyagszálaknál 140 db/km fölött van. Emlékeztetőül: 0dB nem gyöngít, 3db nél a jel értéke felére csökken, 10db-nél a tizedére, 20db-nél a századára. -Frekvencia (hullámhossz) ablak. Azok a hulláhossztartományok (ablakok) ahol a csillapítás a legkisebb. Ilyen hullámhosszúságú fényt kell a LED diódának kibocsátani, és erre a hullámhosszra kell hogy legyen a vevő a legérzékenyebb. A 660 és 850 nanométeres ablakokat a multimódusú kábelek, míg az 1500 nm körüli hullámhosszat a monomódusú kábelek használják. A 660nm –es fény alkalmazása pedig azért előnyös, mert még látható (vörös szinű) és a működést könnyű ellenőrizni. -Az átvihető bítsebesség. Az üvegszálasoknál max: 2,5Gbit/s, míg a műanyagszálasoknál közönséges LED-et használva 50Mbit/s. -Egyéb. Méretek, teherbírás (húzóerő, hajlítás), szerelhetőség (szükséges speciális szerszámok) stb. Optikai jelátvitellel mi is kisérletezhetünk. Például diplomamunka keretében. A műanyag (egyeres és 1mm átmérőjű) fénykábel méterenkénti ára kb. 1 Euro. A LED diódás adó (660nm) és az NPN tranzisztoros vevő egyenkénti ára kb. 5 Euró. A szereléshez éles és felhevített kés szükséges. 6.3.4 Még néhány telekommunikációs újdonság (fakultatív)

74 / 159


Mint már említettük a telekomunikácós infrastruktúra kiépítése állami feladat, ami nálunk a TELEKOM közvállalat hatáskörébe tartozik. Ez ma már nem csak a nyilvános telefonhálózat, hanem adatátviteli célokat szolgáló különböző szolgáltatások. A telefonvonal használata: Ma már szinte minden háztartás rendelkezik telefonkapcsolattal. Ez lehet PSTN (az előfizetőtöl a telefonközpontig analóg) vagy ISDN (az előfizetőtöl a központig digitális). A telefonközpontok közötti adatforgalom azonban ma már (99%) tisztán digitális. Ha a beszédhang átvitelére van szükség az A/D átalakítás (PSTN) a telefonközpontban történik. A hangból 8000 mintát vesznek másodpercenként, a hangerőt pedig nyolcbitesen (255 fokozatban) kódolják. Az eljárás neve PCM (Pulse Code Modulation) – impulzus kód moduláció. Az így kapott jel továbbításhoz 8000*8=64 Kbit/sec adatfolyamra van szükség. Egy vagy több ilyen csatornát bisztosít számunkra a telefonközpont a világ bármely hívott telefonja felé.

75 / 159


7. Parancsadó és prezentációs eszközök Még akkor is ha egy rendszert teljesen automatikusan irányítunk szükség lehet, és van is, egyfajta kapcsolatteremtésre az ember és a gép (pontosabban irányítástechnikai rendszer) között. Ezt a kapcsolatot a mai szaknyelv HMI-nek (Human Machine Interface) nevezi. A jelfeldolgozó az embertől is fogad utasításokat, amit parancsadásnak nevezünk. Fordítva pedig jelfeldolgozó az ember számára egyfajta prezentációval (bemutatással) szolgál. A parancsadásra használhatunk nyomógombokat, kapcsolókat, potenciómétereket, de akár a számítógép billentyűzetét, vagy az egeret is. A folyamatot közvetlenül saját érzékszerveink utján is megfigyelhetjük, de ettől gyakran hasznosabb lehet a prezentációs eszközök használata. Ilyenek a jelzőlámpák, hangjelzők (sziréna) a mutatós vagy digitális kijelzők, regisztrációs műszerek, de akár a számítógép monitora is. Ma már a parancsadás és a prezentáció fő eszköze a számítógép, illetve a billentyűzet, egér és a monitor. A rendszer fölé rendelt számítógép ezen kivül még más feladatokat is elláthat. Például a folyamatból időbeni sorrendben összegyűjti az adatokat, amit a későbbiekben elemezhetünk. Az ilyen feladatokat ellátó rendszert (főleg szoftverre gondolunk) a mai szaknyelv SCADA-nak (Supervisory Control And Data Acquisition) nevezi.

7.1 Parancsadó eszközök 7.1.1 Nyomógombok A folymat (és a részfolymat) elindítására, leállítására leginkább nyomógombokat használunk. Ezek lehetnek különálóak, vagy egy közös egységbe szervezettek (pl. fóliatasztatúra). A szabályok (szabványok) a szineket is előírják, pl. az indításra a szinük zöld, megállításra piros. A nyomógombokba visszatérítő rugót építenek, és csak addig aktívak, míg az újjunkkal nyomjuk. Az érintkező lehet munka NO, nyugvó NC, vagy váltó CH. 7.1.2 Választókapcsolók Ezek helyzetbeálló kapcsolók, ami azt jelenti, hogy miután aktiváltuk, maguktól nem térnek vissza az eredeti helyzetükbe (billenőkapcsolók, bütykös kapcsolók stb.). Egy kapcsolónak több állása is lehet (0, 1, 2 stb.) és egyszerre több érintkezőt is mozgathat (többpólusú kapcsoló). A többállású és többpólusú helyzetbeálló kapcsolókkal komolyabb logikai funkciókat is meg lehet valósítani. Ismertebb kombinációk a villanytűzhelyek főzőlapkapcsolói, csillag háromszög indítókapcsoló (motorok indítására), voltméterkapcsoló (egy voltméterrel mérhetjük mind a három fázisfeszültséget és vonalfeszültséget) stb. 7.1.3 Potencióméterek A 4.3.1 pontban már szóltunk a potencióméterekről. A potencióméter folyamatos jel megadására szolgál. A jelet a csúszka helyzetével arányos feszültség formájában szolgáltatja. Itt parancsadó szerepet tölt be. Potencióméterrel állíthatjuk be a szabályozási körök referens értékeit, vagy más jeleket (fordulatszám, hőmérséklet, megvilágítás, hangerő stb.). 7.1.4 Botkormány (mesterkapcsoló) A számítógépes játékoknál használt Joistik is valójában egy botkormány. Több irányba lehetséges elmozdítani (előre, hátra, jobbra, balra, vagy ferde irányba). A véghelyzeteket mikrokapcsolókkal érzékelik, vagy folyamatos elmozdulásmérővel vannak összekötve. A kormányra néhány nyomógombot is szoktak szerelni. A jeleket (parancsokat) külön-külön vezetékeken lehet eljuttatni a jelfeldolgozóba. Az újabbak (mint amilyen a PC számítógépeknél már megszokott) beépített mikrokontrollert (elektronikát) is tartalmaznak, és egy speciális úgynevezett játékporton csatlakoznak a számítógéphez. A leginkább darukon (emelés-sűlyesztés, forgatás, macska előre-hátra stb.) és mukagépeken (báger, lerakodógépek stb.) használják. 7.1.5 A számítógép billentyűzete és az egér 76 / 159


A számítógép billentyűzete valamint az egér (esetleg más beviteli eszközök is mint például az imént említett botkormány) kiválóan megfelel parancsadási célokra. Ezek a beviteli (esetünkben parancsadó) eszközök a monitoron megjelenő vezérlőgombokkal működnek együtt, és kihasználják a Windows grafikus kezelőfelületét. A jegyzet végén külön is foglalkozunk az ilyen rendszerekkel, gyakorlati órákon pedig több valós példát fogunk bemutatni és megvalósítani.

7.2 Prezentációs eszközök 7.2.1 Jelzőlámpák A folyamat külömböző állapotairól adnak információt. Ide sorolhatjuk a LED diódákat is és a nagyobb fényerőt kibocsátó jelzőlámpákat. Az állapotokra különböző szinekkel utalunk pl. zöld-bekapcsolva, piros-valamilyen hiba, sárga-figyelmeztetés, kék-kiválasztás (pl. a kijelölt szállítószalagok). Az állapotokra a lámpák periódikus ki-bekapcsolásval is utalhatunk (állandóan világít, lassú blinkelés, gyors blinkelés). A gyártók a jelzőlámpák sokaságát kinálják, különböző alakzatokban és feszültségekre (kerek, szögletes, mátrikszba szervezve, 12V, 24V, 48V, 110V, 220V stb.). A mikrokontrollerek portpinjeire (álltalában 10 esetleg 20mA-ig terhelhetők) közvetlenül is csatlakoztathatunk alacsonyfogyasztású LED diódákat. Mivel a kimenőfeszültség állatalában +5V ezért a LED diódával egy ellenállást ist sorba kell kapcsolni (pl. 470Ω). Ekkor a LED diódán átfolyó áram: I = ( 5 - 0,7 ) / 470 = 0,00915A = 9,15mA. A 0,7V a LED diódán eső feszültség. 7.2.2 Hangjelzők A folyamat különböző állapotait, főleg a komolyabb meghibásodásokat hangjelzőkkel is szignalizáljuk. Ilyen eszközök a zümmögő, csengő, duda, sziréna. A hangerő, hangfrekvencia, tápfeszültség stb. tekintetében nagy a választék. A hangerőt decibelben adják meg. A hangjelzés lehet egyenletes, szakaszos működésű, vagy periódikusan változó hangerejű. A hagjelzések fajtáira is szabályok vannak (pl. tűzjelzők, alarm, bányacsengő stb.). A meghibásodás tudomása vétele után, a hangjelzést általában egy nyomógombbal kikapcsolják (nyugtázás), hogy szükségtelenül ne zavarjon. Egy másik nyomógomb pedig arra szolgál, hogy a hangjelzőt kipróbáljuk. Az ilyen próbákat a jelzőlámpákra is szokták alkalmazni. 7.2.3 Analóg kijelzők Az analóg kijelzők a mért értéktartomány minden értékét folyamatosan mutatják. Ha villamos működésűek akkor feszültséget (nagy bemenőellenállás), vagy áramot mérnek (kis ellenállás). Az ilyen mutatós kijelzőknek az az előnye, hogy gyorsan leolvashatók (követhetők) és a kritikus állapotot az ember egyetlen rátekintéssel észreveszi. A mutató alatti skálát az értékbeosztásokon kívül ki lehet szinezni (pl.zöld, sárga, piros) és csúszkákat vagy véghelyzetkapcsolókat is lehet rászerelni (pl. a makszigráf). A kijelzőméretek szabványosítva vannak pl. 96x96mm. 7.2.4 Digitális kijelzők A digitális kijelzők a jel értékét (nagyságát) szám formájában jelenítik meg. Egyes esetekben a szám mellett betűket is képesek megjeleníteni. Legismertebb a hétszegmenses LED kijelző, a folyékonykristályos LCD kijelzők, egyedi LED diódákból (mátrix) kiépített kijelzők, újabban pedig az érintésre is érzékeny úgynevezett Touch terminálok. Ez utóbbiaknál a parancsadó és prezentációs funkció egyazon eszközben valósul meg. (fakultatív) A hétszegmenses LED kijelző. A számokat 7 LED dióda segítségével ábrázolja, plusz (nem minden típusnál) a tizedespont a szám végén. Tehát 8 bevezetése van (a, b , c, d, e, f, g és a dp) és egy közös kivezetése (GND). Két típus ismert a közös anódú és a közös katódú. A képen a közös katódút ábrázoltuk. A 0,1.2.3,4,5,6,7,8 és 9-es számjegyek ábrázolásán kívül még egyéb kombinációk is léteznek (összesen 127), amelyek közül sajnos csak néhány hasonlít valamiféle betűre. Tehát az ABC kis és nagybetűi nem ábrázolhatók. Például ha a 2-es számot akarjuk ábrázolni, 77 / 159


akkor az a=1, b=2, g=64, e=16 és d=8 szegmenseket kell bekapcsolni. Ez megfelel a 91-es számnak (hexadecimálisan 5B). A képen három darab 7-szegmenses kijelzőt láthatunk, tehát a legnagyobb szám amit ábrázolhatunk 999. A kijelzőket egy mikrokontroller vezérli. A szegmenseket aktivizáló vonalak (a, b, c, d, e, f, g és a dp) közösek, míg a GND (közös katód) minegyik kijelzőnél egy tranzisztoron keresztül külön-külön csatlakozik a mikrokontroller portjaira. A mikrokontrollerben futó programot úgy kell megírni, hogy az a közös vonalra (portokra) kiírja a szám értékét, és a megfelelő kijelzőt, amelyre a szám vonatkozik a tranzisztoron keresztül bekapcsolva tartjuk. Ezután jöhet a következő kjelzőre való kiírás, majd a harmadikra és így körbe-körbe. Ezt a folyamatot legalább 50-szer meg kell isméteni másodpercenként, hogy a szemnek úgy tünjön, hogy mindegyik kijelző egyszerre világít. A dekódolás művelete (ahhoz, hogy a szegmensen 2-es számot lássunk a mikrokontrollernek 91-es számot kell kiírni a portjaira), valamint a folyamatos kiírás igencsak igénybeveszi a kisebb teljesítményű mikrokontrollerek erőforrását. Ezért gyakran a mikrokontroller és a kijelzők közé speciális dekódert, vagy (és) meghajtót építenek, amely átveszi a fenti feladatok egy jelentős részét.

A hétszegmenses kijelzőre való kiírás egyik kedvenc témája a mikrokontrollerekkel foglalkozó irodalomank. Jó fejtörőnek számít, és megfelel egy diplomamunkának is. Ha azonban magasabbszintű programnyelvel dolgozunk, kész könyvtári függvények vagy eljárások állhatnak a rendelkezésünkre. (fakultatív) Az LCD kijelző. Folyékony kristályos kijelző. Lehet egy vagy többsoros (2, 4 stb.). Az egy sorban kiírható karakterek száma is különböző, például 16, 20 vagy 40. Vannak grafikus LCD kijelzők is különböző felbontásokra (128x64, 240x128 stb.). Ezek a kijelzők egy panelra vannak szerelve és beépített speciális mikrovezérlőt is tartalmaznak. Egy kisebb képességű monitornak is felfoghatók. Mi az Iskolában a 2x16LCD-ét (2 sor 16 karakter, Hitachi HD44780) és a 128x64-es felbontású grafikus LCD kijelzőt használjuk. Az ábrán a 2x16LCD összekötési módját láthatjuk, méghozzá 4-bites üzemmódban. Az LCD-ét használó jelfeldolgozó (ebben az esetben PIC16FXXX mikrokontroller) 6 portlábára van szükség (RB4, RB5, RB6 RB7 az adatokara, RB2 és RB3 pedig a 78 / 159


vezérlési módokra). Ez az üzemmód kevesebb összekötővezetéket igényel (mint a 8-bites), ám az adatátvitel ezért két taktusban történik. Az adatátviteli protokollt és a beállítási módozatokat a gyártó egy hosszas táblázatban közli. A program megírásakor ezen protokoll szerint kell eljárni. Ha magasabbszintű programnyelvel dolgozunk, kész könyvtári függvények vagy eljárások állnak a rendelkezésünkre. Például a MikroElektronika fejlesztőkörnyezetében (mikroBasic, mikroPascal és mikroC) a következők: Lcd_Init(&PORTB); // Az LCD a PORTB-re van kötve Lcd_Cmd(LCD_CLEAR); // Töröljen le mindent az LCD-ről Lcd_Cmd(LCD_CURSOR_OFF); // A kursor ne villogjon Lcd_Out(1,1,"Nagy Sandor"); // Első sor első helyétől írja ki a Nagy Sandor nevet Lcd_Out(2,1,"T1="); // A 2. sor első helyétől irja hogy T1= Lcd_Out(2,4,txt1); // A 2. sor 4 helyétől irja ki a txt1 tartalmát 7.2.5 A számítógép monitora A PC számítógép szines monitora kiválóan megfelel, különböző mérési adatok, kijelzők és grafikus kivitelezésű műszerpanelok megjelenítésére. Az ilyen megjelenítőket, mivel fizikailag nem megfoghatók virtuális műszereknek nevezzük. A műszerpanelok együtt jelennek meg a megfelelő vezérlőgombokkal és a képernyőn egy valódi vezérlőpult benyomását keltik a felhasználóban. A rendszer kivitelezéséhez megfelelő programozói és számítógépes szakismeretekre is szükség van. A gyártók kész programcsomagokkal segítik az ilyen SCADA rendszerek tervezését és fejlesztését. Mivel ezek a programcsomagok túl drágák, és általában szorosan kötődnek bizonyos készülékekhez, a programozást valamilyen magasabbszintű programnyelvan is elvégezhetjük. Ezek közül a legalkalmassabb a VisualBasic, valamint a .NET programozókörnyezet bármelyik programnyelve (VisualBasic, C++, C#), de a Delphi is megfelel. A jegyzet végén külön is foglalkozunk az ilyen rendszerekkel, gyakorlati órákon pedig több valós példát fogunk bemutatni és megvalósítani.

79 / 159


8. Vezérléstechnika 8.1 A vezérlés művelete A vezérlés művelete valamely körülhatárolt rendszerben végbemenő olyan folyamat, amelynek során egy vagy több mennyiség (bemenő jelek) bizonyos törvényszerűség alapján úgy befolyásol más mennyiségeket (kimenő jeleket), hogy azok a zavaró hatások ellenére is az elvárásoknak megfelelően alakuljanak. A vezérlési folyamat (főleg) nyílt hatásláncokban (vezérlőláncokban) zajlanak le, amely vezérelt szakaszból és vezérlőberendezésből áll.

A szabványból (DIN 19226) idézett alapdefiníció (de az elméleti alapú definíció sem) bemenő és kimenőjeleket nem osztja több csoportora. Ezért a fenti definíció magyarázatra szorul. Elsősorban az alapdefiníció és az elméleti (matematikai) tárgyalás, az ember és a rendszer kapcsolatáról (HMI Human Machine Interface) nem beszél. A gyakorlatban azonban ennek nagy jelentősége van, mert a leghatékonyabb rendszereket, az automatákra és az emberre támaszkodó döntéshozatalok ügyes kombinációjával lehet létrehozni. Amikor nyílt hatásláncról beszélünk, zavaró lehet az ábrán sötétkéken színezett Visszajelzések (az érzékelők révén nyert jelek a folyamatból). Ha csupán arról van szó, hogy a visszajelzésekre a folyamatból azért van szükség, hogy az eredményeket az ember számára prezentáljuk, akkor az eset triviális, és a nyílt hatásláncról való állítás továbbra is fennáll. Ha követővezérlésről beszélünk (a kimenöjelek a bemenőjeleknek matematikai függvényekkel átképzett képe) visszajelzésekre nincs is szükség (kivéve ha prezentálni is akarunk). A tiszta időtervvezérléseknél sincs szükség visszajelzésekre. Itt a beavatkozójeleket a folyamat állapotától függetlenül, csak az idő függvényében kell előállítani. A lefutóvezérlésnél, a következő programlépés feltétele az előző programlépés sikeres befejezése. Ezért kell az információ a folyamatból. Ez nem jelent visszacsatolást, mert szó sincs a visszavezetett jel és a bemenő alapjel folyamatos összehasonlításáról, hibajelképzésről és a hibajel alapján történő beavatkozásról – mint a zárt hurkú szabályozásnál. A visszajelzésekre tehát azért van szükség, hogy ki tudjuk váltani (el tudjuk indítani) a programlépéseket. Tehát a folyamat vezeti a rendszert. A hatásvázlat valóban nyitottnak tekinthető, mint (az ábran a jobb oldali kép). Megjegyzés: Az angolban a Feed back visszajelzést és visszacsatolást is jelent. A németben Rückmeldung = Visszajelzés, Rückkopplung = Visszacsatolás.

8.2 A vezérlések felosztása működési mód szerint 80 / 159


A vezérlés műveletéről és fajtáiról az imént már szóltunk. Az vezérlések pontosabb felosztást, a megfelelő magyarázatokkal az alábbi táblázatba foglaltuk: 8.2.1 Programvezérlések 8.2.2 Követő vezérlések Szekvencionális vezérlésnek is nevezzük. Memóriát igényelnek. A kimenetek a bemenő jeleket Programlépésekre (szekvenciákra) osztható bizonyos logikai vagy matematikai függvények szerint Időtervvezérlések Lefutóvezérlések követik. Nincsenek A programlépések az időtöl A következő programlépés programlépések, nincs memória. függenek (időterv) feltétele előző programlépés Az adott kimenő értékek mindig sikeres befejezése az adott bemenő értékek Gyakran kombinált formában jelentkeznek. A következő képének felelnek meg. programlépés egyszer az idő, máskor a sikeres végrehajtás feltétele. Kombinációs hálózatoknak is Az is lehet hogy a végrehajtás nem sikerült, de azért a program egy nevezik. Például a dekóder. idő után folytatódik A szekvencionális vezérléseknél (a digitális elektronikában ezt szekvencionális hálózatoknak nevezik), a kimenőjelek értékei nem csak a bemenőjelek értékeitől függenek, hanem attól is hogy milyenek voltak a bemenőjelek értékei az előző (sőt több előző) programlépésben. Ahhoz hogy leképezzük (metematikailag kiszámoljuk) a kimenetek értékeit tudnunk kell, hogy mi volt az előző lépésben vagy lépésekben. A követő (kombinációs) vezérléseknél (a digitális elektronikában ezt kombinációs hálózatoknak nevezik) a kimenőjelek a bemenőjeleknek egy matemetikai függvénnyel leképzett képe. Egy adott bemenő képnek mindig ugyanaz a kimenőkép felel meg. Nem léteznek programlépések. Amikor memóriáról beszélünk két dologra kell gondolnunk. Egyik a programmemória (ahol magát a programot tároljuk), a másik az adat (munka) memória, ahol az ideiglenes adatokat tároljuk. A programmemória valójában az eljárást tartalmazza (huzalozott formában vagy tárban). Az adatmemória a változó adatokat tartalmazza, írhatónak is és olvashatónak is kell hogy legyen (RAM, Flip-flop, vagy relé öntartással). A szekvencionális (pl. lefutó) vezérlésnek adatmemóriát is kell, hogy tartalmazzon (még ha a program huzalozással is van megoldva). Minimum tárolnunk kell az aktuális programlépés számát, vagy a kimenetek (régi) értékeit az előző programlépésben.

8.3 A vezérlések felosztása programozhatóság szerint A felosztást a megfelelő magyarázatokkal az alábbi táblázatba foglaltuk. 7.3.1 Huzalozott programozású vezérlések Véglegesen Cserélhető huzalozott huzalozás Relés vezérlés Mechanikusan Drótozás átprogramozható Elektronikus Pl: lyuk-csap mátrix. Miniatűr NYÁK Pneumatikus kapcsolók. Huzalcsere stb. Csövek

7.3.2 Tárprogramozású vezérlések - memória Programmemória + Adatmemória (Közös vagy szétválasztva) Lyuk EPROM EEPROM RAM FLASH HDD kártya Átprogra Elektromo Direkt Elektromo Vagy szalag mozható san progIrható san prog- MMC Progra- ramozható Olvas- ramozható SD mátor és törölható és töröl- kártya Elavult UV törlő hető (5V, Táp kell hető (5V) Háttér Egy 12V) R/W memó ProgProgkártya ria ramra Prog/Adat Adatra ramra 120 bajt

A fenti felosztási forma nem újkeletű (némi módosítással egy 1977-ben kiadott könyvből van átvéve), de már a vezérlések programozhatóságának kiemelt szerepet tulajdonított. Azonban még korábban, számítógépek megjelenése előtt, túlzott lett volna programozásról beszélni. Például azt mondani hogy a pneumatikus vezetékeket szerelő szakember programozza a gép vezérlését. A programozhatóság „fokozatait” a szakma bizonyos kifejezésekkel próbálja érzékeltetni: - A program beégetését csak a gyártó tudja elvégezni (ROM) - A programozáshoz speciális készülék (pl. EEPROM programozó) kell 81 / 159


- A tár csak egyszer írható (OTP-One Time Programming vagy PROM) - A tár többször (100, 1000, 10 000... fontos adat!) újraírható (pl. EEPROM). - Nem kell külön programozókészülék. A készülékben programozható. In System Programming. - Tetszőlegesen programozható (németül Beliebig programierbar) - Szabadon programozható (németül Freiprogramierbar)

8.4 A vezérlések felosztása műszaki megvalósítás szerint Ez a felosztás a vezérlés műszaki kivitelezésére vonatkozik. Ezzel a témával már a jegyzet bevezetőjében is foglakoztunk, több helyen is utalást teszünk, és példákat is adunk a műszaki megvalósítás milyenségére. A jobb érthetőség kedvéért íme egy rövid felsorolás: 8.4.1 Elektromos megvalósítású rendszerek Az olyan vezérléstechnikai rendszereket, ahol az irányítási rendszer minden eleme (szenzor, aktor jelfeldolgozó) villamos elven működik, nevezhetjük elektromos megvalósítású rendszernek. Például a relés technikával, vagy fix huzalozású elektronikával megvalósított villamos hajtások (csillag háromszög indító, daruhajtások, megmunkálóközpont, robot stb). A számítógépet (mikroszámítógép, PLC, PC) használó rendszerek is, feltéve ha az aktorok és a szenzorok is villamos elven működnek elektromos megvalósítású rendszernek nevezzük 8.4.2 Hidraulikus, pneumetikus stb. megvalósítású rendszerek A hidraulikus és pneumatikus végrehajtó (munkahengerek) valamint működtetőelemek (szelepek) a 5.2.2 pontban (A munkahengerek működtetése) foglalkoztunk A munkahengereket működtető szelepeken kívül, még egész sor más típusú szeleppel is találkozunk, amelyek a vezérlés feladatát hivatottak ellátni. Ilyenek a logikai funkciókat megvalósító (AND, OR stb) szelepek. Bitmemorizáló szelepek (olyan mint a Flipp-flopp, vagy a relé öntartással), időkésleltetésre szolgáló szelepek. Elvileg egy teljes számítógép is felépíthető ilyen elven. Olyan vezérléseknél ahol a végrehajó szervek rendre pneumatikusak, előfordul, hogy a jelfeldolgozást is pneumetikus eszközökkel valósítják meg. Az ilyen rendszer akkor nem igényel villamos energiát (is) és robbanásveszélyes környezetben is használható. 8.4.3 Hibrid megvalósítású rendszerek A rendszerek túlnyomó többsége azonban nem képvisel tiszta műszaki kategóriát. Azt azonban nyugodt lelkiismerettel kihangsúlyozhatjuk, hogy az elektrotechnikai eszközök ma már elkerülhetetlen részei szinte minden irányítástechnikai rendszernek. Ami pedig a jelfeldolgozási és a kommunikációs részt illeti, a számítógépek (PC, mikroprocesszorok, mikrovezérlők, mikroszámítógépek) használata ma már szinte minden rendszerben jelen van. Legvégül pedig újra kihangsúlyozzuk: A vezérléstechnika elméleti tárgyalásánál a fizikai megvalósítás milyensége teljesen érdektelen.

8.5 A vezérlési műveletek leírása A vezérlési műveletek leírására többféle módszer alakult ki. Ennek legfőbb oka az, hogy az irányítástechnikai feladatokat sokféle műszaki eszközzel meg lehet valósítani (relés, logikai áramkörök, pneumatikus rendszerek, mikroszámítógépek stb.). Szinte minedegyik megvalósítási formához párosul egy leírási és rajzolási módszer is. Ha mikroszámítógépet alakalmazunk, és a jelfeldolgozást programozással valósítjuk meg, akkor a létező programnyelvek (BASIC, PASCAL, C) miatt jelentkeznek az eltérések. A PLCék-hez álltalában olyan, PC-én futó fejlesztőkörnyezetet is bisztosítanak, amelyeknél az a benyomásunk, hogy például relés technikával, vagy logikai áramkörökkel dolgozunk. Léteznek attraktív grafikus elemeket tartalmazó fejlesztőszoftverek is, amelyekkel például a saját otthonukat automatizálni kivánó embereket (és gyerekeket) kivánják megcélozni. Ezeket a „programnyelveket” szaknyelvnek szokták nevezni, mivel valamiféle régebbi szakmához kötödnek. A fejlesztőszoftver az így létrehozott állományt fordítja le (Compile) az adott mikrovezérlő nyelvére. A sokféle módszert az irányítástechnikával foglalkozó szakemberek 82 / 159


igyekszenek szabványosítani, és egymásba átfordíthatóvá tenni. Hogy melyik módszert alkalmazzuk a következő tényezőktől függ: - Milyen eszközökkel (technikával) valósítjuk meg a feladatot (relés, TTL vagy CMOS logikai IC-ék, pneumatikus, mikrovezérlő, PLC, PC) - A vezérlés leírójának mi a szakmája (techológus, rendszertervező, erősáramú elektrotechnikus, gyengeáramú elektrotechnikus, programnyelveket ismerő programozó) - Milyen fejlesztőeszközök állnak a rendelkezésünkre. A szabadon (tetszés szerint) programozható (mkrovezérlő, PLC, PC) vezérlésekhez a gyártók úgynevezett fejlesztőprogramokat (fejlesztőkörnyezeteket) bisztosítanak a készülékeikhez. Ezeket gyakran külön- külön, bizonyos licenszdíj ellenében kell megvásárolni. - Melyik módszer használatával jutunk leggyorsabban célba - Melyik módszerrel kapjuk a legjobb eredményeket - Melyik módszer fekszik a legjobban (felel meg legjobban az ízlésünknek) A továbbiakban röviden ismertetjük a vezélési műveletek (feladatok) dokumentálsára és fejlesztésére használatos módszereket, annélkül, hogy belebonyolódnánk a részletekbe. A módszerek lényegét egy egyszerű példán fogjuk bemutatni. A gyakorlati órákon azokkal a fejlesztőkörnyzetekkel dolgozunk amelyekkel az Iskola rendelkezik. 8.5.1 Jelfolyamábra A számítástechnika egyik közkedvelt eszköze az algoritmusok leírására. A múlt század hatvanas és hetvenes éveiben volt nagyon közkedvelt. Az objektum orientált programnyelvek megjelenésével veszít a jelentőségéből. Grafcet A jelfolyamábrához hasonló, a technológiai folyamatok egyértelmű ábrázolására szolgáló módszer. Egy több nagy céget tömörítő európai konzorcium (AEG, SIEMENS, BBC) indította útjára, azzal a céllal hogy megkönnyítse a külömböző szakmájú és nyelvű emberek kommunikációját. Grafikus ábrázolási mód, szakmától és megvalósítástól független. Nagyon kevés szöveget haszál. A módszert megalkotók elképzelése szerint, a programozó ilyen formában kell hogy megkapja a feladatot a folymatot (gyártási technológiát) ismerő technológus szakembertől. A programozó feladata pedig csak az volna, hogy ennek alapján megírja a kódot. Léteznek olyan fejlesztőszoftverek is amelyek a GRAFCET-ben rajzolt ábrákat, egy adott számítógép (PLC, eseteleg mikrokontroller) számára végrehajtható kóddá fordítják.

Logikai szimbólumok A szakmában az FBD elnevezés terjedt el. A klasszikus digitális elektronika eszközeivel kivitelezett vezérléseket kívánja felidézni, természetesen virtuális formában. Relés szimbólumok (Kontaktplan, Ladder)

A relés vezérlések rajzjelekkel történő szabványos dokumentása nagy mértékben eltér Európában illetve Amerikában. Mikor klasszikus relés vezérléseket ábrázolunk az európai szabványokat alkamazzuk (IEC617 1983). Azonban ha PLC-ket programozunk meg kell tanulnunk és szoknunk a relés sémák amerikai szabályok szerinti ábrázolását. A német szakirodalom ezt az ábrázolási módot Kontaktplan-nak (KOP) nevezi, míg az amerikai Ladder diagram-nak (létra diagram). A Ladder diagram-ok nem csak relés szimbólumokat (NO, NC kontakt, relé, időrelé,) hanem különböző 83 / 159


komplekszebb műveleteket elvégző, úgynevezett funkcionális blokkokat (előre/hátra számláló, aritmetikai blokkok, dekóderek, kódátalakítók stb.) is tartalmaznak.

Utasításlista - Instrukciós lista (ST - Statement List) Ez az asszemblerhez hasonló utasításlista illetve annak leegyszerűsített és felhasználóközelibb változata. Az utasításlista két oszlopba van AND NYIT szervezve (operátor és operandusz). Az oprátorok lehetnek logikai OR K1 (AND, OR, XOR, NOT stb.), artimetikai (ADD, SUB, INC, DEC, SCH ANDN VEG1 stb.), ugró (JC, JMPC) értékadó (=) utasítások. Az operanduszok a ki és ANDN K2 bemenetek címei (nevei) valamint az ideiglenes változók (a RAM ANDN STOP memóriából). Sok esetben az = helyett LDK használnak (kivinni az ANDN BIMETAL akkumlátorból az adott címre, változóba), utána pedig szintén LDK = K1 használnal (bevinni az akkumlátorba az adott címről. Mivel nem gépi, hanem csak gépközeli kódolásról van szó, a megírt forráskódot a fejlesztőszoftver segítségével le kell fordíttatni az adott PLC nyelvére, és azután betölteni (beégetni) a PLC programmemóriájába.. Struktruált szöveg (programnyelvek) Strukturált szövegként valamelyik közismert és többé kevésbé szabványosított programnyelv szolgál, mint például a BASIC, PASCAL és a C. Ezek a programnyelvek bizonyos enyhébb módosításokkal kerülnek felhasználásra. Ezért dialektusokról beszélünk. Például a mikroC, mikroPascal, mikroBASIC a PIC mikrovezérlők programozására (MikroElektronika-Bgd. fejlesztése.) szolgál. A BASCOM (Basic) és Keil C a 8051-es és 89SXXX mikrovezérlők programozására, vagy a 84 / 159


CCBASIC a CControlSTATION mini PLC programozására. Ezek a fejlesztőszoftverek mind PC számítógépen futnak, ám az álltaluk előállított és lefordított program már az adott céleszközön (célhardver) fog futni. A felsorolt fejlesztőszoftverek és a hozzájuk tartozó fejlesztőkészülékek K1 = BIMETAL and STOP and K2 and VEG1 and ( NYIT or K1 ) (programozó, próbalap stb.) mindegyikével Iskolánk is rendelkezik. Gyakorlati órákon és diplomamunkák kidolgozására használhatjuk. Első lépésként fejlesztőszoftver szövegszerkesztőjében, a vezérlési folymatnak, és a programnyelv szabályainak megfelelően, meg kell írni a forráskódot. Ezután a forráskódot a fejlesztőszoftver segítségével le kell fordíttatni az adott mikrokontroller vagy PLC nyelvére. Harmadik lépésként a lefordított programot be kell tölteni (égetni) a mikrokontroller, vagy PLC programmemóriájába.

85 / 159


9. Szabályozástechnika (önműködő szabályozás) 9.1 A szabályozás művelete (Closed lopp control) A szabályozás (önműküdő szabályozás) művelete valamely körülhatárolt rendszerben végbemenő olyan folyamat, amelynek során az irányitani kivánt fizikai mennyiséget (szabályozott jellemzőt) folyamatosan érzékelik, az alapjellel összehasonlítják és az összehasonlitás alapján befolyásolják. A szabályozás fő feladata, hogy a szabályzott jellemző X értéke kiegyenlítődjön a beállított W értékkel, illetve hogy a hibajel (E=W–X=0) nullává váljon, függetlenül a zavaró jel Z hatásától. Az ábrán használt jelek magyarázata a következő megjegyzéssel: Ha a jelek pillanatnyi értékét jelöljük kis betűket kell használni (dinamikus vizsgálat). Ha statikus vizsgálatot végzünk nagy betűket használunk (X, x W, w Z,z E,e Z,z). w – Bemenő jel (Alapjel, Kivánt érték, Referens érték, Beállitott érték, Set Point SP) x – Kimenő jel (Szabályozott jellemző, Valós érték, Mért érték, Szabályozott mennyiség, Process Value PV) e – Hibajel e = w- x (ez a jel lesz a szabályozóban feldolgozva) y – Rendelkezőjel. A szabályozó kimenőjele, illetve a folyamat vagy a beavatkozó szerv bemenőjele z – Zavarójel. A szabályozó a zavarójel hatását kell hogy kikompenzálja 9.1.1 A szabályozási kör (Control loop) A szabályozási folyamat hatásvázlata zárt, amely szabályozott szakaszból és szabályozóból áll. Azzal hogy a kimenőjelet (szabályzott jellemzőt) visszacsatoljuk (visszacsatolás - feed back) egy zárt szabályozási kört kapunk. Ha a szabályozási kört mint műszaki berendezést szemléljük (nem csupán elméleti szinten) akkor a szabályzott jellemzőt mérni kell (pl. nyomás, fordulatszám, hőmérséklet stb.) és olyan jellé alakítani (pl. analóg elektromos jel 0...10VDC) amelyet a szabályozó fel tud dolgozni. 9.1.2 A szabályozó – regulátor (Controller) Elvégzi az ősszehasonlítást (diszkriminátor) azaz kiszámolja a hibajelet ( e = w – x ) A hibajelből pedig valamilyen törvényszerűség alapján (matematikai algoritmus - függvény) előállitja a rendelkezőjelet y. A rendelkezőjel befolyásolja a szabályzott szakaszat. A szabályozó helyett használjuk még a regulátor kifejezést is, újabban pedig a controller-t. 9.1.3 A szabályzott szakasz A szabályozott szakaszt, mint műszaki berendezést több részre bonthatjuk. Ilyen a beavatkozó szerv (pl. motor, szelep, munkahenger stb.) és maga a szabályozott objektum (pl. egy gőzkazán). A szabályozott szakaszt ennél több részre is bonthatjuk pl. interfész, beavatkozó szerv, végrehajtó szerv szabályozott folyamat (objektum). A folyamat pedig még további funkcionális egységekre bontható. 9.1.4 A szabályozóberendezés A bevezetőben (2.9 pont) már említettük az irányítóberendezés fogalmát.A szabályozóberendezés fogalmába is az összes eszközt beleértjük (kivéve a folyamatot) amelyeket a szabályozási kör megvalósítása céljából építettünk a rendszerbe. A szabályozót, beavatkozó szervet, a visszacsatolt jel érzékelőjét stb. 9.1.5 Egy örökzöld példa: A centrifugális szabályozó 86 / 159


Ez talán a legrégebbi példa, de még ma is alkalmazzák. James Watt nevéhez fűzödik 1788. Annak idején egyetlen gőzgép hajtott egy egész üzemet, például malmot. Bonyolult mechanikai áttételekkel (főtengely, hengerek, fogaskerekek, szíjáttételek) szétvezették a forgó mozgást az egész üzemben, ahol az szabadon rendelkezésre állt a különböző gépek számára. Amint egy-egy gép a rendszerhez kapcsolódott (tehát plusz energiát igényelt a gőzgéptöl) az egész üzemben lecsökkent a fordulatszám. Az éber „masiniszta” nem győzte a gőzt megfelelően adagolni. Ezt a problémát oldotta meg Watt centrifugális szabályozója. Itt a gőzgép fordulatszámát szabályozzuk (szabályozott jellemző). A cenrifugális regulátor tulajdonképpen összehasonlitja a valós fordulatszámot a kért fordulatszámmal (ez utóbbit például a centrifugális szabályozón lévő súlyzók mozgatásával lehetett állítgatni). Ha most a gőzgép lassabban forogna a kelleténél a centrifugális szabályozó „összébb esik”. Ezálltal elmozdít egy emelőt, amely pedig arra szolgál, hogy jobban kinyissa a gőzbevezető szelepet. Ugyan, ez a rendszer egyszerűnek tűnik, de egyes problémákra, mint például arra hogy miért kezd a fordulatszám néha oszcilálni, csak igen nehezen tudtak megoldást találni. Csak jóval később az elektrotechnikát dióhéjba foglaló, zseniális elméleti fizikus és matematikus K. Maxwel (1868) adta meg a megfelelő magyarázatot.

9.2 A szabályozások felosztása A szabályozások felosztását működési mód szerint a következő táblázat tartalmazza: 9.2.1 Értéktartó szabályozás

9.2.2 Követőszabályozás

9.2.3 Összetett szabályozás

Fő cél a szabályzott jellemző állandő értéken tartása

Fő cél a szabályzott Több szabályozott mennyiség jellemző vezetése az összekapcsolása és vezetése az időben változó alapjel előírt technológiai szerint követelmények szerint Egy generátor (vagy turbina) A robotoknál az alapjelek Például egy papírgép. A papír fordulatszám szabályozása. Fő állandóan változnak, ezt több tucat hengeren halad cél az hogy a fordulatszám ne kell a robotkarnak minnél keresztül amelyeket egyedi vátozzon annak ellenére sem gyorsabban követnie. motorok hajtanak. Mindegyik hogy a terhelés állandóan és Egyszerübb példa talán egy egy szabályozási kört képez. kiszámíthatatlan módon változik (másoló) eszetergapad Ezeknek a működését (manapság memóriábol (fordulatszámát) összhangba „másol”) kell hozni Cél tehát mindezek megvalósitása az esetleges zavaró jelek hatása ellenére is, a következö minőségi követelmények szerint: A rendszer legyen stabil és ne oszciláljon (lengedezzen) A rendszer legyen kielégitően pontos (statikus és dinamikus hiba) A rendszer legyen kielégitően gyors, azaz dinamikus A szabályozási körök műszaki kivitelelezés szerint is feloszthatók. Léteznek csak mechanikai elemeket tartalmazó szabályozások (lásd az előbbi példát). Csak elektromos elemekből felépített szabályozási körök (például műveleti erősítők). Csak pneumatikus vagy hidraulikus elemeket tartalmazók. A szabályozási körök legtöbbje azonban hibrid jellegű. A szabályozási kör lehet folyamatos vagy mintavételezett. Maga a szabályozó (regulátor) mint jelfeldolgozó pedig lehet analóg vagy digitális kivitelezésű. 87 / 159


9.3 A szabályozási körök ábrázolása hatásláncokkal Hatásláncokkal ábrázoljuk az információk (jelek) folyamirányát. A irányítástechnikai rendszert több funkcionális egységre bontjuk. Ezeket az egységeket blokkoknak vagy elemeknek nevezzük és téglalapokkal ábrázoljuk. A blokkokat a jeleknek megfelelően vonalakkal kötjük össze. Minden elemnek lehet egy (vagy több) bemenő és egy (vagy több) kimenőjele. A jelek irányát (jelfolyam) nyilakkal ábrázoljuk. Ezt az ábrázolási módot tömbvázlatnak, vagy struktuális blokk diagramnak is szokták nevezni. Az ábrán szereplő rendszer 5 darab elemből áll. A rendszernek két bemenete és egy kimenete van. Az elemeken kívül tartalmaz még két összegző és egy elágazási pontot. Amennyiben lehetséges az elemeknek matematikai értelmezést szokásos adni és sok kis elemből kell felépíteni a rendszert. Ezt nevezzük rendszer modellezésének. A modellezésnek két formája lehetséges: -Rendszeranalízis. Amikor egy már létező rendszer hatásvázlatát próbáljuk megrajzolni. -Rendszerszintézis. Amikor egy még nem létező rendszer hatásvázlatát próbáljuk megtervezni. 9.3.1 A hatásvázlatok elemei A blokk (elem) egy téglalappal ábrázoljuk amelybe a következőket írhatjuk: -Rövid szöveg. Utal az elem nevére vagy funkciójára (például: szabályozó, hőmérsékletérzékelő, motor, szelep stb.) -Satikus jelleggörbe. Az a függvény amelyik meghatározza, hogyan függ a kimenőjel értéke a bemenőjel értékétől. Lineáris rendszerek esetében ez egy konstáns arányszám, amit statikus erősítének nevezünk. -Dinamikus tulajdonság. Az adott blokkba (téglalapba) beírjuk az adott elem átviteli függvényét (Laplace-transzformáltját), vagy grafikusan berajzoljuk az elem átmeneti függvényét. Ezzel a témával később a 9.5 fejezetben foglalkozunk. Az elemet (blok) lehetőleg egyszrűbb átmeneti függvény kell hogy leírja. Például késleltető tag, integráló tag, differneciáló tag, esetleg valamivel összetetteb, mint amilyen a PI tag (regulátor). Később majd az ilyen egyedi elemekből kell összerakni a rendszert. Összegzési (külömbségképzési) hely Az összegzés helyét körrel ábrázoljuk ahova befutnak a jelek. A jelfolyam irányát nyilak mutatják. Ha valamelyik nyíl mellé – jelet rakunk akkor kivonásról van szó, egyébként mindig összeadás. A jelek elágaztatása Az elágazási pontban egy jel kétfelé (vagy többfelé) ágazik. Eközben a jel minegyik ágon ugyanolyan értékű (nem gyengül). 88 / 159


9.3.2 A hatásvázlatok algebrája A hátásvázlatok átalakítási és egyszerűsítési szabályait a lenti táblázatban foglaluk össze. Ezek a szabályok egyszerűen bizonyíthatók (levezethetők), és szoros összefüggésben vannak az algebra szabályaival (kommutattív, asszociatív, disztributív törvények megfelelő alakmazása az összeadásra, kivonásra, szorzásra stb.). Amennyiben a blokkokban csak statikus erősítések szerepelnek a szabályok szinte magától érthetődőek. Később amikor megismerjük a Laplace transzformáció alapgondolatát látni fogjuk, hogy ezek az algebrai szabályok a Laplace transzformáltakra, illetve az átviteli függvényekre is érvényesek.

A „hatásvázlatok algebrája” az irányítástechniával foglalkozó irodalomban részletesen is megtalálható. Begyakorlásához sok feladat megoldása szükséges.

9.4 A szabályozási körök egyszerű vizsgálata Ahhoz, hogy a szabályozási körök a minőségi jellemzőit (stabilitás, pontosság, optimum) érdemben is vizsgálni tudjuk, ismernünk kell a rendszer statikus és dinamikus viselkedését. Mint látni fogjuk a szabályozási kör statikus vizsgálata csak néhány problémára ad magyarázatot. A rendszer stabilitását és dinamikáját azonban csak időbeni vizsgálattal lehet megmagyarázni. A dinamikus vizsgálat. mint később látni fogjuk, jelentős matematikai felkészültséget igényel. Ebben a fejezetben a rendszert csak statikusan vizsgáljuk és egyszerűbb hozzáállással próbáljuk megmagyarázni a szabályozási körök viselkedését és minőségi jellemzőit. A dinamikus viszgálat, valamint a szabályozási körök szintézisével, az ezt követő a 9.5 fejezetben foglalkozunk.

89 / 159


9.4.1 A szabályozási kör statikus vizsgálata A statikus jelleggörbe (statikus átviteli függvény) kimenőjelelet mutatja be a bemenőjel függvényében. A statikus jelleggörbe állandósult állapotra vonatkozik, tehát az átmeneti jelenségek lezajlása után érvényes. Matematikailag leírva: Xki = f ( Xbe, t ) t   (az idő a végtelenhez tart). Ha a függvény alakja: Xki = K*Xbe , ahol K=Const, akkor a rendszer lineáris. A K–t statikus erősítésnek nevezzük Az ábrán egy szabályozási kört láthatunk amely szabályozóból és szabályozott szakaszból áll. Feltételezzük hogy a rendszer lineáris. A szabályozó statikus erősítése KSZ , a beavatkozószervé KB , a szabályzott folyamaté pedig KF. Azonkívül feltételezzük, hogy a beavatkozó szerv és a folyamat között egy additív jellegű zavar Z is hat. A szabályzott jellemző X értékére az ábra alapján a következő egyenletet írhatjuk fel: X = (W – X) KSZ KB KF – Z KF W X = ---------1+1/K

KF - Z -------1+K

az egyenletet X-re megoldva: ahol K = KSZ * KB * KF .

Ha K  

XW

A képletből azt is észre kell venni, hogy ha K akkor XW illetve a szabályzott jellemző X értéke ugyanakkora lesz mint a beállított W érték. Az erősítések szorzatát K = KSZ * KB * KF körerősítésnek nevezzük. A körerősítés valójában a felnyitott szabályozási kör eredő erősítése. 9.4.2 Pontosság A szabályozási kör pontosságát kétféleképpen vizsgálhatjuk (értelmezhetjük): Ha a szabályozási kört absztrakt (elméleti) módon szemléljük a műszaki eszközök által okozott hibákat triviálisnak (magától érthedődőnek), és nem létezőknek tekintjük, ezért nem is foglalkozik velük. De akkor mégis milyen hibáról (hibákról) is beszélünk? - A statikus hiba. A cél az, hogy bizonyos idő elteltével, a zavaró körülmények ellenére is, a referens jelés a szabályozott jellemző kiegyenlítődjön, illetve hogy a hibajel nullává váljon. Matematikailag kifejezve: e = w – x  0 (vagy x  w ) ha t  : és ha Z = 0 . Ha hosszú idő eltelte után is (az átmeneti folyamat lezajlása után, tehát állandósult állapotban) egy bizonyos hibaérték fennmarad, akkor azt statikus (maradandó) hibának nevezzük. Az előző pontban levezetett statikus átviteli függvényből láthatjuk, hogy ez a feltétel akkor teljesül ha a szabályozási kör körerősítése nagyon nagy illetve végtelen. Más szóval szabályozási kör statikus hibája akkor lesz nulla ha a körerősítése végtelen. Mivel a folyamat és a beavatkozó szerv erősítése nem változtatható (a rendszer tulajdonságaival adott) ezért a nulla statikus hibát csak úgy érhetjük el, hogy a szabályozó erősítését próbáljuk végtelenre (nagyon nagyra) állítani. A szabályozási kör statikus hibája (e = w – x ) akkor lesz nulla ha körerősítése K = KSZ * KB * KF   , illetve ha a szabályozó erősítése KSZ  . A valóság azonban azt mutatja, hogy az így létrehozott szabályozási körök (P szabályzó végtelen nagy erősítéssel) nagyon nagy pontosságúak ugyan, de az esetek túlnyomó tőbbségében nem stabilak. Ennek a megértéséhez a ki és bemeneti jeleket dinamikusan, azaz időben is vizsgálni kell. (átmeneti jelenségek) 90 / 159


- A dinamikus hiba az egyik stabil állapotból a másikba való átmenetkor észlelhető eltérést jelenti. A követőszabályozásoknál nem csak az állandó értéken tartás a cél, hanem főleg az, hogy a kimenőjel (szabályozott jellemző) minél pontosabban és gyorsabban kövesse a referens érték állandó változását. Ha a szabályozási kört mint műszaki berendezést szemléljük (műszaki jellegű hibák) a szabályozott jellemző pontos és reprodukálható értéken való tartására három tényező hat ki: - A szabályzott jellemző mérésére szolgáló szenzor pontossága. Nem szabályozhatunk pontosabban mint ahogyan mérünk. - Az alapjel (referens érték) beállítására szolgáló műszaki eszköz (például a potencióméter és az azt tápláló feszültségforrás) pontossága. Ha a referens feszültség ingadozik a szabályozott jellemző is ingadozni fog. - Magának a szabályozónak a pontossága. A szabályozó az összehasonlítási műveletét csak bizonyos hibával tudja elvégezni (például a bemenő ellenállások pontatlansága a műveleti erősítővel kivitelezett szabályozónál, a műveleti erősítő driftje, stb.). A teljes szabályozási kör eredő hibáját a legpesszimistább módon kell számolni, a részhibák összeadásával. Például ha az említett eszközöknek a relatív hibája külön-külön ±1%, akkor a teljes szabályozási kör relatív hibája ±3% lesz. A műszaki eredetű hibák ugyan nagy gyakorlati jelentőséggel bírnak, de az elmélet számára érdektelenek. 9.4.3 Stabilitás Elvárás: A rendszer legyen stabil és ne oszciláljon (lengedezzen) A dinamikus jelleggörbe a kimenőjelelet mutatja be a idő függvényében. Ezenkivül feltételezzük, hogy a bemenőjel is valamilyen szabályosnak mondható időfüggvény szerint változik. A bemenőjel időfüggvényét tesztjelnek (próbajel - próbafüggvény) is szokták neveznni. Leinkább egységurás bemenő jelre vizsgáljuk a kimenőjel viselkedését (a gyakorlatban is ilyen változásokkal tatálkozhatunk leginkább), de nem kevésbé fontos a szinuszos időlefolyású jelre tőrténő vizsgálódás sem. Ez utóbbinak a matematikai alpjait a váltakozó áramkörök számitásánál már megismertük és szerteágazóan alkalmaztuk is. A következő táblázatban néhány ilyen próbafüggvény definicióját foglaltuk össze. Azt, hogy egy szabályozási kör visszacsatolással ellátott rendszer miért nem okvetlenül stabil ha a körerősítés (K= KR*KF) végtelen, egyszerű megfontolások alapján is megérthetjük.

9.4.4 Sebesség (dinamika) Elvárás: A rendszer legyen kielégitően gyors, azaz dinamikus. A valóságban, ahhoz, hogy egy jel végigfusson a rendszeren (hatásláncon) időre van szükség. Tételezzük fel, hogy a rendszer stabil állapotban volt, nem oszcilált, a bemenő jel megegyezett a kimenőjellel w(t) = x(t). Most a bemenő jelet (referens érték) ugrásszerűen megnöveljük (kibillentjük a rendszert az állandósult állapotából), és figyeljük, hogy a kimenő jel x(t) hogyan fog alakulni. Hirtelen egy hibajel keletkezik e(t) = w(t) - x(t). A szabályzó végtelen erősitése miatt a kimeneti jele is végtelen lesz y(t) = KR * ( w(t) - x(t) ). Az y(t) rendelkezőjel a folyamatban csak egy bizonyos idő után érezteti hatását, azaz késleltetve hat az x(t) szabályozott jellemzőre. Az y(t) rendelkezőjel végezetül is a késési idő lejárta után kiváltja hatását és az x(t) kimenő jelet végtelenségig növeli. Igy a hibajel előjele meg fog változni, és most a szabályozó megáljt fog parancsolni. Ennek következmény most az lesz (az előzőekhez hasonlóan), hogy az x(t) jel ellenkező irányban fog a végtelenbe menni. Ez a folyamat ismétlődik és a reális rendszereknél az történik, hogy a szabályzott jellmző x(t) két határérték közt fog lengedezni. 9.4.5 P, PI és PID szabályozó – egyszerű magyarázattal 91 / 159


Mint már említettük a szabályozó feladatát két részre bonthatjuk: - A hibaképzés (külömbségképző - diszkriminátor): e = w – x - A matematkai algoritmus amely a e hibajelből az idő függvényében leképzi az y rendelezőjelet y = f ( e, t ) . A kitűzött célok pedig: - Egy bizonyos idő eltelte után a hibajel nullává váljon (a statikus hiba nulla legyen). Matematikailag kifejezve: e = w – x  0 ( vagy x  w ) ha t   . - A rendszer az egyik stabil állapotból (w1 , x1) a másikba (w2 , x2) gyorsan és lehetőleg lengedezések nélkül menjen át. A kis statikus (maradandó) hiba feltétele a végtelen nagy erősítés. Ez azonban instabilitáshoz vezet. A megoldás a következő: Az első pillanatban (a hibajel beálltakor) a beavatkozás mértéke (az erősítés) legyen csak egy meghatározott értékű, de ha a hiba nem csökken akkor a beavatkozás mértéke idő múlásával növekedjen. Tehát kezdetben nem reagálunk túl hevesen, de ha a dolgok nem javulnának a beavatkozás mértékét a rendszer végső korlátaig is megnövelhetjük. Ez PI (Poporcionális - Integrális) szabályzó. Az a tény, hogy hosszú idő után az erősítés végtelen biztosítja a kis statikus hibát x(t)≈w illetve e(t)≈0 . Azaz elegendően hosszú idő után a hiba nulla lesz. A mértéktartó kezdeti beavatkozás pedig biztosítja a stabilitást (nem esünk át a ló túloldalára, nem lövünk túl a célon). Ha mindehhez még egy rövid de erélyes kezdő beavatkozás is párosul rendszer dinamikája tovább javulhat. Ez a plusz hatás a hibajel differenciáljával arányos és D (differenciáló) hatásnak nevezzük. A PID (Proporcionális - Integrális - Differenciális) szabályozó mindhárom elv összehangolt megvalósítását magábafoglalja. A PID szabályozó az első pillanatban, és csak nagyon rövid ideig, hevesen reagál (inkább csak ijesztget). Utána mértéktartást mutat (nehogy átessen a ló másik oldalára), de az idő múltával erélysségét is megmutatja, és ha kell (ha hiba nem csökkenne) nagyon nagy (akár végtelen) erővel fog beavatkozni. A gyakorló szakemberek körében még sok egyéb más. de igen hatásos magyarázatok is elterjedtek. Igy például sokan a D hatást spricc-nek nevezik az I részt pedig hibagyűjtögetőnek. Természetesen az elmélet számára az ilyen együgyű és vulgárisnak is nevezhető magyarázkodások nem elfogadhatóak.

9.4.6 Az optimum fogalma Amennyiben több jellemző értékét egyszerre szemléljük az a helyzet állhat elő, hogy egyidőben nem tudjuk mindegyik jellemzőt a legjobb (pl. makszimum, minimum stb.) értéken tartani. Tehát ha az egyik jellemzőt javítjuk az a másik rovására mehet. Ilyenkor célszrű bevezetni az optimum fogalmát. Ilyenkor Álltalánoságban nézve az optimum

92 / 159


9.5 A szabályozási körök magasabb szintű vizsgálata A szabályozási kör tagjait - mint a teljes rendszer egyes elemét - nem a saját szerkezeti kivitele jellemzi hanem az, hogy hogyan függ a bemeneti jel a kimeneti jeltől. A fizikai szerkezet csak a mérnök-technikus embert kell, hogy érdeklelje. Az elmélet a fizikai valóságtól elvont (absztrakt) matematikai összefüggések segítségével írja le a szabályozási körök elemeit és annak egészét. Ezek az összefüggések a legkülönbözőbb fizikai szerkezetű (mechanikai, elektromos, stb.) szabályozási körökre (rendszerekre) alkalmazhatók. Az ilyen elméleti szemlélet mellett lényegtelen az olyan fogalom mint a szenzor vagy az aktor, továbbá a fordulatszám, áram, nyomás… stb. Vannak csak bemenő és kimenőjelek amelyeknek nincs mértékegysége. Dinamikus vizsgálatokról lévén szó, a jelek mindig az idő függvényében jelennek meg. Ennek az elméletnek a fejlődése a már emlitett K. Maxwel –el kezdődött, és a múlt század harmincas, negyvenes és ötvenes éveiben konszolidálódott. A 2. Világháború allatt még az elmélet fejlődését is titok övezte (a V2 rakéták stb.). Bizonyos területeken (mint például a nemlineáris rendszerek) az elmélet még mindig alakulóban van. 9.5.1 A szabályozási körök matematikai leírása Az elmélet a szabályozási körök elemeit, csakúgy mint az egységes szabályozási kört differenciálegyenletek segitségével irja le. A jelek mindig az idő függvényében jelennek meg. A matematikai modell csak a lináris szabályozási körökkel tud igazán boldogulni. A nemlineáris rendszerek matematikai leirása annyit jelent mint megoldni egy többedrendű differenciálegyenletet amelynek a paraméteri is változnak. A nemlináris rendszerek matematikai analizise inkább egyedi esetek egyedi vizsgálatára, valamint numerikus matematikai módszerek alkalmazására korlátozódik. A továbbiakban csak a lináris és folytonos (időben is és értékben is) rendszereket tárgyaljuk. Feltételezzük, hogy egy elem kimenőjele, a bemenőjel függvényében a következő állandó együtthatójú lineáris differnciálegyenlettel van leírva: an(dny/dtn)+...+a2(d2y/dt2)+a1(dy/dt)+a0y = bm(dmx/dtm)+...+b2(d2x/dt2)+b1(dx/dt)+b0x A reális rendszerekre n ≥ m illetve m ≤ n . y(t) A bemenőjel az idő függvényében. Elég ha csak kis y-ot írunk, a (t) elhagyható x(t) A kimenőjel az idő függvényében. Elég ha csak kis x-et írunk, a (t) elhagyható Ez a feltételezés nem önkényes. Minden lineáris és folyamatos irányítástechnikai elem, a fizikai megvalósítástól függetlenül ilyen differenciálegyenlettel írható le. Mi ezt a tényt parciális módon fogjuk érzékeltetni, bemutatva néhány egyszerű példát az elektrotechnika és a mechanika területéről. (ansn + ... + a2s2 + a1s + a0) Y(s) = (bmsm + ... + b2s2 + b1s + b0) X(s)

Az RLC Tömeg rugó Mindkét estben ugyanolyan alakú másodrendű differenciálegynletet kaptunk. Megjegyzés: Az egyenletek ugyan teljesen egyforma alakúak (analógok), de felírásukhoz különböző fizikai ismeretekre volt szükség. A mechanikai rendszereknél Newton törvényeire, míg az elktrotechnikai példánál Kirchoff és Lenze törvényeire. 9.5.2 A Laplace transzformáció

93 / 159


A differnciálegyenletek közvetlen megoldása helyett úgynevezett Laplace transzformációt használunk A Laplace transzformáció segítségével önkényes (előre definiált) módon áttranszfolmáljuk a differnciálegyenleteket és függvényeket (a mi esetünkben mindig időfüggvények) egy más alakba. A Laplace transzformáció segítségével differnciálegyenleteket algebrai alakba transzformáljuk. Az algebrai alakzatot viszonylag könnyen kezelhetjük. A polinómokat gyöktényezős alkra bonthatjuk. Ha a polinóm másod esetleg harmadfokú egy ugyanilyen fokú egyenletet kell megoldani. Az pedig köztudott, hogy a középiskolai tanárok és diákok nagy élvezettel szeretik megoldani a másodfokú egyenletet. A differenciálegyenletek megoldása, és a Laplace transzformáció, meghaladja a középiskolai matematikai felkészültséget. Ezért arra van szükség, hogy a definíciókat és az abból levezethető szabályokat kész tényként (bizonyítás nélkül) elfogadjuk. Ellenben ha a szabályok alkalmazását rutinszerűen megtanuljuk, a gyakorlatban ugyanolyan hatékonysággal használhatjuk, mint azok akik le tudják (vagy régebben esetleg tudták) vezetni a megfelelő bizonyításokat. Az ábra a transzformáció ötletét ábrázolja. A lényeg, hogy egy olyan alakba transzformáljunk, ahol könnyebben tudunk dolgozni. Mikor a munkát befejeztük az eredményt visszatranszformáljuk. A életben és a technika más területein is ezt az elvet gyakran alkalmazzuk. A műanyagot felmelegítjük (áttranszformáljuk), hogy képlékeny legyen. A magas hőmérsékleten elvégezzük a munkát (például poharakat formálunk) és utána az anyagot újra lehűtjük (visszatranszformáljuk).

Ha a rendszer t = 0 időpillanatban stabil állapotban volt, az előző pontban felírt álltalános differenciálegyenlet Laplace transzformáltja a következő: A Laplace transzformáció definíciója 

F(s) = L { f(t) } = ∫ f(t) e-st dt t=0

F(s) -Laplace transzformált (Laplace tartomány) f(t) - Eredeti függvény (időtartomány) s – a Laplace operátor. Az s = σ ± jω komplex szám (frekvencia) Levezethető szabályok!!! A differnciálegynlet transzformalása Laplace tartományba A differnciálegyenletben a következő helyettesítéseket kell elvégezni: d/dt  s

d2/dt2  s2

df(t) /dt  s F(s)

dn-1/dtn-1  sn-1

dn/dtn  sn

dnf(t) / dtn  sn F(s)

∫ f(t)dt

∫ dt

 (1/s) F(s)

A inverz Laplace transzformáció (definíció): f(t) = L-1 { F(s) } a Laplece transzformáltból visszadja az eredeti függvényt 94 / 159

 1/s


(ansn + ... + a2s2 + a1s + a0) Y(s) = (bmsm + ... + b2s2 + b1s + b0) X(s)

X(s) A bemenőjel Laplace transzformáltja. Y(s) A kimenőjel Laplace transzformáltja. A kimenő és bemenőjel Laplace transzformáltjainak az arányát átviteli függvénynek nevezzük: Y(s) G(s) = ---------X(s)

bmsm + ... + b2s2 + b1s + b0 = --------------------------------------------ansn + ... + a2s2 + a1s + a0

m ≤ n

A nevezőben és a számlálóban lévő polinómokat gyöktényezős alakban is felírhatjuk. A gyökök kikereséséhez meg kell oldanunk egy m-ed (számláló) és egy n-ed (nevező) fokú algebrai egyenletet. Az átviteli függvény gyöktényzős alakja tehát: Y(s) G(s) = ---------X(s) A A

bm (s-zm) (s-zm-1) ....... (s-z2) (s-z1) = ------ -------------------------------------------an (s-pn) (s-pn-1) ....... (s-p2) (s-p1)

zm , zm-1 , ....... , z2 , z1 pn , pn-1 , ....... , p2 , p1

m ≤ n

gyököket zérushelyeknek nevezzük gyököket pólushelyeknek nevezzük

Megjegyzés: A gyakorlatban arra kell törekednünk, hogy a szabályozási kör elmeit leíró differnciálegyenletek legtöbb másodrendűek legynek. Tehát egyszerű erősítés, késés (egytárolós tag), vagy másodrendű késés (kétárolós–osszcilatorikus tag). A harmad és magasabb rendű differenciálegyenletek a Laplace tartományban is harmad és többedfokú algebrai egyenletekhez vezetnek. Matematikából pedig tudjuk, hogy ezeknek az egyenleteknek az analitikus megoldása (tehát a gyöktényzők kikeresése) már komoly nehézségekbe ütközik. A gyöktényezős alaknak a szabályozási kör elemeinek és egészének stabiliásvizsgálatánál van jelentősége.

9.5.3 A szabályozási körök leképzése struktuális blokk diagramokkal Hatásláncokkal ábrázoljuk az információk (jelek) folyamirányát. A irányítástechnikai rendszert több funkcionális egységre bontjuk. Ezeket az egységeket blokkoknak vagy elemeknek nevezzük és téglalapokkal ábrázoljuk. A blokkokat a jeleknek megfelelően vonalakkal kötjük össze. Minden elemnek lehet egy (vagy több) bemenő és egy (vagy több) kimenőjele. A jelek irányát (jelfolyam) nyilakkal ábrázoljuk. Ezt az ábrázolási módot tömbvázlatnak, vagy struktuális blokk diagramnak is szokták nevezni. Az adott blokkba (téglalpba) beírjuk az adott elem átviteli függvényét (Laplacetranszformáltját), vagy grafikusan berajzoljuk az elem átmeneti függvényét.

9.5.4 A szabályozási körök vizsgálata próbafüggvényekkel (tű, egységugrás, harmonikus)

95 / 159


Egy szabályozási elem, vagy több elemből álló rendszer bemeneti az időben különböző módon változhatnak. Ezt az időbeni váltózásokat matematikai függvényekkel lehet leírni Xbe=f(t). Minden lehetséges bemenőjelre (végtelen sok ilyen függvény lehetséges) azonban nem vizsgálhatjuk a rendszereket. Ezért kiválasztottak néhány függvénytípust amelyeket próbafüggvényeknek nevezünk: A tűfüggvény. Nagyon rövid ideig tartó erős impulzus. Amikor egy rendszer valamelyik bemenetére impulzusjelet adunk, az egy bizonyos késésel válaszol. Egy időre elhagyja a stabil helyzetét majd visszatér az eredeti állapotba. Ha a rendszer nem stabil nem áll helyre a régi állapot. Az egységugrás függvény. Értéke egy adott pillanatban (ez a kezdőérték t=0 sec), egységnyi értékre ugrik. Matematikailag ezt az ugrást 0 ról 1-re kell értelmezni, de a valóságban lehet 0V–ról 5V-ra történő pillanatszerű (hirtelen) ugrás. Ha egy rendszer valamelyik bementére egységugrás jelet (gerjesztést) adunk, az álapotjellemzők valamilyen módon átmennek egy másik állapotba. Harmónikus függvény. Minden olyan jel amelynek az értéke színusosan változik. Ha rendszer valamelyik bemenőjelét szinuszosan (harmónikusan) változtatjuk a kimenetek is hasonlóan fognak viselkedni. A lineársis rendszerek esetében a válasz ugyanolyan frekvenciájú, de más fázisszögű és amplitúdójú szinuszfüggvény lesz. A felsoroltakon kívül még más típusú próbafüggvényt (próbajelet) használnak, például a fűrészjel, négyszögjel stb. Mi csak az egységugrás és a harmonikus próbafüggvényekkel (jelekkel) fogjuk a rendszereket vizsgálni. 9.5.5 A Bode diagramok A Bode diagramok használatánal alapvető feltételezés, hogy a bemenőjel harmónikus (színuszos), és (leginkább) csak lináris rendszerekre alkalmazzuk. A lináris rendszerek esetében a kimenet is színuszos időlefolyású lesz, ugyanolyan frekvenciájú, csak az amplitúdó és a fáziszög fog megváltozni. Feltételezzük, hogy a bemenőjel frekvenciáját (f=2πω) 0-tól elkezdjük növelni. Azt vizsgáljuk, hogy hogyan fog a kimenőjel amplitúdója és fázisszöge változni a frekvencia függvényében. A bemenőjel amplitúdóját nem változtatjuk, csak a frekvenciát. A Bode diagramokokat először a rádiótechnikában alkalmazták. Segítségükkel vizsgálták és szintetizálták a különböző alul és felülátersztő filtereket, valamint a sávillesztőket (csak egy meghatározott szűk frekvenciatartományt enged át, vagy szűr ki stb.) 9.5.6 Stabilitás és minőségvizsgálat a Bode diagramok alkalmazásával A Bode diagramok a szabályozási körök stabilitás és minőségvizsgálatára is igen hatékonynak bizonyultak.

9.5.7 A P, PI, PD és a PID szabályozó A fejezetben már adtunk egy egyszerű magyarázatot a P, PI és PID szabályozási algoritmusokra. Most ezeknek a Bode diagramjait rajzoltuk meg.

9.6 A szabályozási körök szimulálása PC számítógépen 9.6.1 Az ELECTRONICS WORKBENCH programcsomag segítségével 96 / 159


9.6.2 A MatLAB programcsomag segítségével A MatLAB programcsomagban programozás révén valósítjuk meg a szabályozási kör funkcióit. Az eredmények kivitele szép vizuális formában történik. A MatLAB segítségével sok olyan más elektrotechnikában és más műszaki területeken jelentkező folyamatot is szimulálni tudunk, amelyeknek ismerjük a matematikai modelljét. Használata inkább főiskolákon és egyetemeken szokásos. Aki merészebb diplomamunkaként, megpróbálkozhat a szabályozási körök szimulációjával.

9.7 A szabályozási körök emulációja műveleti erősítőkkel Amint láttuk a szabályozási körök viselkedést számítógépen is szimulálhatjuk. Azonban építhetünk kisméretű szabályozási köröket is, amelyek ugyanúgy viselkednek mint bármely más, például az iparban fellelhető szabályozási kör. A szabályozási körök ilyen tanulmányozása mégiscsak valósabb mint a digitális számítógépen történő tiszta szimulálás, ezért ezt a módszert sokan emulálásnak nevezik. Mivel maga a bemutatás nem igényel különösebb matematikai és programozói felkészültséget ezért középiskolai szinten kiválóan megfelel. 9.7.1 Az analógia fogalma (analóg számítógépek) A különböző fizikai folymatok gyakran ugyanolyan típusú matematikai apparátussal (képletekkel, egyenletekkel, differenciáegyenletekkel, logikai függvényekkel stb.) írhatók le. Az ilyen folyamatokra azt mondjuk hogy egymással analógok. Például egy szoba hőmérséklete (természetesen ha fűtünk) ugyanolyan időfüggvény szerint növekszik (vagy csökken) mint ahogyan töltődik (vagy ürül) egy elektromos kondenzátor (természetesen ha feszültséget kötünk rá és ha egy kis ellenállás is korlátozza az áramot). Lehet hogy az egyik lassúbb, a másik gyorsabb, de a két függvény matematikai alakja teljesen azonos. Az analóg számítógépek folyamatos (értékben és időben is) jelekkel dolgoznak. Mindenfajta aritmetikai (összeadás, kivonás, szorzás, osztás), valamint integrálsi és differnciálási műveletekre képesek. Komoly hátránynak számít, hogy műveletekben résztvevő jelek zavaroknak vannak kitéve és bonyolult számításoknál a hibák összeadódhatnak és nem kapunk elegendően pontos eredményt. A jelek memorizálása is külön gond, úgymond megoldhatatlan. Még a nagyon jó kondenzátor is egy idő után (szivárgó áramok) magától kiürül. Analóg számítógépeket műveleti (operációs) erősítőkből lehet felépíteni. A műveleti erősítők aritmetikai funkcióival már foglalkoztunk (6.1.2 A műveleti erősítők alkalmazása), most az inetgrálás és differenciálás és egyéb időben zajló műveleteket írjuk le. 9.7.2 A szabályozók kivitelezése műveleti erősítőkkel A szabályozó funkciója mint tudjuk két részre bontható: - Egyik a diszkriminátor (hibajelszámító) amely egy kivonási műveletet kell hogy elvégezzen. - A másik a hibafeldolgozó, amelyik lehet P, I, D, PD, PI vagy PID típusú jelformáló. Ezek a funkciók képen látható kötési rajzok alapján valósíthatók meg:

97 / 159


9.7.3 A szabályozott szakasz (folyamat) leképzése műveleti erősítőkkel A szabályzott folyamatot (még ha bonyolult is), több elemre (blokkra) bontható. Ezek az elemek leginkáb egy, vagy kéttárólós késleltető tagok, vagy integráló elemek.

9.7.4 Az USB 1208LS adatgyűjtő (data logger és osszciloszkóp) eszköz (Iskola 5 drb) A PMD1208LS egy USB 1.1 kis sebességű analóg és digitális I/O eszköz, amelyet Microsoft® Windows® 98 (2. verzió), Windows ME, Windows 2000, és Windows XP alatt lehet működtetni. A PMD1208LS kompatibilis az USB 1.1 és USB 2.0 portokkal; 8db 12 bites analóg bemeneti jel- és max. 28 digitális I/O csatlakozással rendelkezik. Táplálás: a +5 V USB tápfeszültségen keresztül, külső táp nem szükséges. Két csavaros csatlakozóterminál sor szolgál a 8 analóg bemenethez, 2db 10bites analóg kimenet, 4db digitális I/O vonal, és 1db 32 bites külső esemény számláló. Az analóg jelek csatlakozói csavarosak és szoftverrel konfigurálhatók 8 aszimmetrikus, vagy 4 szimmetrikus csatornára. Az analóg csatlakozások csavarosak. A panelen az ipari kivitelű 82C55 programozható periféria interfész chip 24 digitális I/O vonalat biztosít, 37 tűs csatlakozóra kivezetve.

98 / 159


9.7.5 A P, PI, PD és a PID szabályozó átmeneti függvényének a felvétele

99 / 159


9.7.6 A szabályzott szakasz (folyamat) átmeneti függvényének a felvétele

100 / 159


9.7.7 A teljes szabályozási kör átmeneti függvényének a felvétele

101 / 159


9.7.8

A szabályozó beállítása (optimalizálása)

102 / 159


10. A jelfeldolgozás (Signal Processing) Az irányítástechnikai rendszer központi egysége a jelfeldolgozó. A jelfeldolgozóban futnak össze a szenzorok révén a folymatból nyert, valamint a kezelőtöl (ember) érkező összes információk. A jelfeldolgozó ezeket az információkat valamilyen törvényszerűség alapján feldolgozza, azaz kiszámítja a kimenő jelek értékeit. A hagyományos technikákkal kivitelezett (relé, logikai áramkörök, műveleti erősítők, pneumatikus vezérlések stb.) irányítástechnikai rendszereknél a jelfeldolgozó nem volt ilyen kiemelt fontosságú, és szerepe is gyakran összemosódott a rendszer többi elemével. A mikroprocesszorok, mikrovezérlők és a számítógépek (különösen a PC személyi számítógépek) tömeges alkalmazásával azonban a jelfeldolgozó fizikai értelemben is egy külön egységgé vált, és lehetőség nyílt a jelek sokkal összetettebb feldolgozása. Megjegyzés: Ebben a fejezetben a jelfeldolgozásra használt műszaki elemeket és eszközöket dolgozzuk fel, nem pedig a jelfeldogozás elméletét. A relés techikát, logikai áramköröket és a műveleti erősítőket csak röviden áttekintjük, mivel ezek már más tantárgyakban tanulmányozása kerültek. A pneumatikus elemekről csak a sokszinűség kedvéért adunk egy kis ismertetőt. A jelfeldolgozás manapság legelterjedtebb eszközeivel: a mikrovezérlőkkel, PLC-kel és a PC-kel azonban részletesebben foglalkozunk.

10.1 A jelfeldolgozás hagyományos eszközei 10.1.1 Relés technika A relés jelfeldolgozás (vezérlés) fő eleme az elektromágnessel működtetett érintkező (kapcsoló). Az elektomágnes egyszerre több érintkezőt is mozgathat. A relé elektromágnesére kapcsolt feszültség jelenti az elem bemenetét az érintkezők pedig a kimenetet. Az érintkezők (kontaktusok) lehetnek: Angol NO NC CH

Angol Normal Open Normal Closed Changed

Magyar 1 Munka érintkező Nyugvó érintkező Váltó érintkező

Magyar 2 Záró kontakt Nyitó kontakt Váltó kontakt

A reléket külömböző kivitelben gyártják. Fontos adat az elktromágnes feszültsége (12V, 24V, 48V, 110V, 230V AC vagy DC), Az érintkezők száma és terhelhetősége (2A, 6A), mechanikai kivitel (nyomtatott lapra forrasztható, sínre szerelhető stb.), reagálási idő stb. Ha az elektromágnes olyan érintkezőket is mozgat (kapcsolgat), amelyek nagyobb telyesítményű fogyasztók bekapcsolására is alkalmasak (például egy villanymotor), akkor a „relé” már az interfész vagy a beavatkozó szerv feladatát is elláttja. Az ilyen elemeket mágneskapcsolónak, vagy kontaktornak hívják. A relés jelfeldolgozás különösen az automatikus hívású telefonközpontoknál bírt nagy jelentőséggel (1930-tól szinte napjainkig). Itt nevezték a relét jelfogónak. Ezt az elnevezést manapság nemigen használjuk, de találóan utal a relék jelfeldolgozó szerepére. A relés technikát (vezérlést) napjainkban is alkalmazzák, különösen kisebb összetettségű rendszerek irányítására (pl. hidrofor). Egyes helyeken pedig alkalmazásuk kötelező. Például a transzformátorállomásokban a szakaszolók reteszelése, vagy egy reverzáló (irányváltó) aszinkron motornál a kereszreteszelés (kölcsönös blokád), a gépek sűrgős (kényszer) leállítását ellátó áramkörök stb. Tanácsos relés szinten is (fix huzalozással) megvalósítani mindazokat az irányítási funkciókat, amelyek az emberre nézve életveszélyt, a berendezésben pedig károkat, okozhatnak. Ekkor nem kell attól tartanunk, hogy a könnyelmű mikrokontollerprogramozó bajt okozhat a rendszerben. Napjainkban is még nagyon sok gép és ipari berendezés működik relés technikával. 10.1.2 Fix huzalozású elektronika 103 / 159


Az elektronikus logikai áramköröket (AND, OR stb.) kezdetben (1950) diódákkal majd tranzisztorokkal valósították meg. Később megjelentek az integrált (1960-70) áramkörök. Ezek már több tranzisztort tartalmaztak és elláttak egy vagy több nem csak egyszerű, hanem összetettebb logikai funkciót is. Az úgynevezett logikai kapukat tartalmazó integrált áramkörök is több fejlődési fázison mentek keresztül. Elő volt tranzistor, tranzistor logika (TTL). Tápfeszültségük 5VDC, a logikai szintek 0/5VDC. Fogyasztásuk (energiafelvételük) mai szemmel nézve nagy. A közismert 74XX (hétezernégyszázas és hetvennégyezres) sor alatt gyártják a mai napig is. Néhány típus az óriási sorból 7400 7401 A műveleti erősítőket főleg analóg és folyamatos jelek feldolgozására használjuk. Inkább a szabályozási körökben alkalmazzák és kevésbé a vezérlésekben. A közelmúltban, de még ma is, a szabályozókat (P, PI, PD, PID) műveleti erősítőkkel valósították vagy valósítják meg. Ezenkívül a jelek erősítésére (feszültség. áram és telyesítmény), szűrésére (filter), összehasonlítására stb. is alkalmazzák. A műveleti erősítőket tranzisztorokból lehet felépíteni, de a gyakorlatban szinte mindig integrált áramköröket használunk. Az első és talán a mai napig is legismertebb ilyen operációs erősítő a μA741-es típus (1964?). Iskolánkban az LM348-as jelzésű típust használjuk, amely tulajdonképpen 4 darab, egymástól független, μA741-es műveleti erősítőt tartalmaz egy közös DIL16-os tokba helyezve. 10.1.3 Pneumatika A sűrített levegővel üzemelő beavatkozó és végrehajtószervekről, valamint az őket működtető elektromágneses szelepekről már a fejezetben szóltunk. Ott láthattuk, hogy munkahengerekbe irányuló fluidok utját elektromágneses szelepek irányítják, de az elektromágnesek már egy villamos működésű (leginkább PLC) jelfeldolgozóval vannak kapcsolatba. Azonban (hasonlóan a relés technikához) léteznek tiszán pneumatikus (vagy hidraulikus) elven működő jelfeldolgozók is. Pneumatikus elemekkel is felépíthetők az OR, AND, XOR kapuk, memóriaelemek (flip-flop), időkésleltető tagok (pneumatikus időrelé), sőt a komplikáltabb kombinációs és szekvencionális hálózatok is. Az olyan gépeket amelyek működésükhöz csak sűrített levegőt használnak (villamos vagy más energiát nem) monoenergetikus gépeknek nevezik. Alkalmazásuk robbanásveszélyes környezetekben indokolt.

104 / 159


10.2 Jelfeldolgozás mikrovezérlőkkel Az irányitástechnika mai legelterjedtebb jelfeldolgozó eszköze a mikrokontroller (mikrovezérlő). A micro (apró) görög szó itt azt jelenti, hogy az eszköz egyetlen szilíciumlapocskán chip-ben van kivitelezve. Ezek a chipek külömböző az elektronikában már jól ismert tokozatokban kaphatók (DIL8,16,18,....40 vagy ). Ha a mikrovezérlőkkel szeretnénk az irányítástechnikai feladatainkat megoldani, szükséges hogy rendelkezzünk bizonyos számítógépismerettel is. A következőkben nagyon tömören ismertetjük a mikroszámítógépekkel kapcsolatos alapfogalmakat és a számítógép alapmodelljét. Ezek az ismeretek más tantárgyakban részletes tanulmányozásra kerülnek, a számítógépelektrotechnikusok nyugodtan ki is hagyhatják. 10.2.1 A számítógép alapmodellje Számítógépnek egy programot végrehajtani tudó rendszert nevezzük. A végrehajtandó program aritmetikai-logikai, adatmozgató és vezérlési műveleteket valamint adatokat vagy adatcímeket tartalmaz. A program tárolására olvasható (ROM) memória szükséges (írásra nincs szükség). A programfutáskor azonban változókat is használunk (pl. részeredmények) és ezeket is tárolni kell. Ehhez olyan memóriára van szükség amelyik könnyen (közvetlenül) írható és olvasható (RAM). A feldolgozásra kerülő adatok a külvilágtól is származhatnak. Ezért a számítógépnek bemenőegységgel (vagy egységekkel) is kell hogy rendelkezzen. A program utasításai szerint kiszámított eredmények (értékek) egy részét a külvilág felé kell továbbítani. Ezért a számítógépnek kimenő-egysége (vagy egységei) is kell hogy legyen. Ennélkül az egész procedúrának nem volna értelme. Az is nyilvánvaló, hogy a fent leírt műveleteket valamilyen egységnek koordinálnia (vezérelnie) kell. Összefoglalva, ahhoz hogy a számítógép a felsorolt a feladatokat ellássa, a következő egységeket kell hogy tartalmazza: Programmemória – A programot tárolja egymásutáni utasítások formájában. A műveletek is és az adatok is binárisan vannak kódolva. Ha a számítógép adatbusza 8 bites, akkor gépnek legtöbb 256 különféle utasítása lehet. Különböző típusú számítógépek különböző utasításkészlettel rendelkeznek. A programmemória elég ha csak olvasható. Maga a beprogramozás (program beégetése) egy másik készülékkel is megoldható. Adatmemória – Az ideiglenes adatokat (változókat) tárolja. A programfutás közben a változók többször is éréket váltóztathatnak. Ezért ennek a memóriának olvashatónak is és írhatónak is kell hogy legyen (például a RAM). Artmetikai logikai egység (ALU- Arithmetic and Logical Unit) – aritmetikai és logikai műveletek végrehajtására képes. Összeadás, kivonás, esetleg szorzás, összehasonlítás stb. A parancsot az egyes műveletek végrehajtására a vezérlőegységtől kapja. Az operandusz értékét egy speciális regiszterből az akkumlátorból ovassa ki és a végredményt is oda helyezi. Ha számolás közben különleges eset áll elő (például két szám összeadásánál az eredmény meghaladja az értéktartományt, vagy kivonásnál negatív értéket kapunk stb.) azt egy speciális regiszterben jelzi. Vezérlőegység (CU-Control Unit) – Dekódolja az a programmemóriából érkező utasításokat. Az aritmetikai logikai műveletek elvégzését (operátor + operandusz) az ALU-hoz továbbítja, a kapott 105 / 159


eredményt pedig a dekódolt utasítás alapján a megfelelő helyre (címre) irányítja. Az utasítások alapján az adatmozgatás más formáit (adatmemórián belül mozgat adatot, vagy az adtmemóriából a kimenetre stb.) is irányítja úgy, hogy eközben nem veszi igénybe az ALU szolgáltatásait. Regiszterek – Kiemelt fontosságú adattárolók. Sokan az alapmodell bemutatásánál nem említik, vagy pedig az ALU illetve a CU részeként értelmezik. Ilyen a már említett akkumlátor, a programlépésszámláló, státusregiszter (előjel, túlcsordulás stb.), veremmutató, szorzásnál (feltéve ha hardverszinten implementálva van) még egy regiszter az eredménynek stb. Ezenkívül a speciális funkciókat ellátó regiszterek SFR, arra hivatottak hogy rajtuk keresztül tartsuk a kapcsolatot a Kibemenőegységekkel. Ki-bemenőegységek – Lehetővé teszi, hogy programfutás közben kivülről is adatokat vigyünk be a rendszerbe, illetve hogy a kiszámított eredményeket kivigyük a külvilágba. A nagy számítógépeknél ki- bemeneti egységként a monitort, nyomtatót vagy a billentyűzetet és az egeret említik. A mikroszámítógépek esetében ezek a perifériák és portok, mint például az I/O portpinek, A/D vagy D/A átalakítók, kommunikációs portok (pl. USART – RS232, RS485 stb) azután az időzítők, számlálók stb. Az aritmetikai logikai egység ALU, vezérlőegység CU, és a kiemelt fontosságú regiszterek együttesen alkotják a számítógép központi egységét CPU (Central Processing Unit). Ha a programmemória és az adatmemória közös egységbe van szervezve, azaz közös vezetékrendszeren (BUS-on) csatlakozik a CPU-hoz akkor von Neumann (Neumann János) arhitektúráról beszélünk. Amennyiben a programmemória és az adatmemória külön egységbe van szervezve, azaz külön vezetékrendszeren (BUS-on) csatlakoznak a CPU-hoz, akkor Harvard arhitektúráról beszélünk. Az adatok beolvasása, továbbá a programutasítások, dekódolása és végrehajtása, valamint az eredmények kivitele, bizonyos taktusokban történik. Ezeknek az elemi lépéseknek az időtartamát egy impulzusgenerátor (órjelgenerátor) határozza meg (pl. 8, 12, 40, 400 MHz stb.). 10.2.2 A számítógép működése (az alpmodell szerint) A számítógép ALU egysége külömböző aritmetikai (ADD, SUBB, INC, DEC, MUL ...), logikai (ANDL, ORL, RL, RC...), ugró (JC, JB, ACALL, RET...), adatmozgató (MOV, MOVC, XCH..), bitmanipulációs (CLR. SETB. ANL, ORL ...) és egyéb műveletek végrehajtására képes. A vezérlőegységnek (CU-Control Unit) pedig az egyik alapvető feladata, hogy a külső programmemóriából érkező utasításokat dekódolja (megfejtse) és ennek alapján utasítsa az ALU-t a művelet végrehajtására. Mivel az aritmetikai és logikai műveleteket (operátor) csak adatokon (operandusz) lehet végrehajtani, az éppen soron levő operandusz értékét a memóriából, vagy valamelyik bementről (ez is egy memóriacímen van) be kell vinni egy kitüntetett regiszterbe. Ez a klasszikus számítógép legfontosabb regisztere. Neve Akkumlátor (A, AC vagy ACC), a PIC mikrovezérlőknél pedig Working Register a (W). Az ALU ebből a regiszterből olvassa ki az operandusz értékét, és a művelet befejezésekor az eredményt is az akkumlátorba írja vissza. A további utasításoktól függően a vezérlőegység ezt az adatot áthelyezi egy ideiglenes lokációra-memóriacímre (későbbi használatra) vagy elküldi valamelyik kimeneti egységnek (ez is egy memóriacímen van). Pontosan úgy történik mint a digitronokon, vagy a kasszagépeken. Az adatot a diszpléjre írjuk, ezután megadjuk a műveleti kódot (mondjuk összeadás) és az erdmény ugyanazon a diszpléjen jelenik meg. Ezután megint műveleti kódot adunk meg majd számot (adatot) és mikor meguntuk egy egyenlőség utasítással véglegesen kivisszük az eredményt. A jobb digitronokon az eredményt egy segédmemóriába is küldhetjük és később onnan (ha a számolás menete úgy kivánja) be is olvashatjuk. A digitron esetében a vezérlőegység (CU-Control Unit) szerepét az ember tölti be. Hosszabb számolásoknál pedig a szükséges műveletek sorrendjét (ez volna a program) és a részeredményeket (ez volna a munkamemória) egy papírra írjuk fel. Az akkumlátoron (A) kívül még más regiszterek is létezhetnek. Egyesek szorosan kötödnek a CPU-hoz, mint amilyen a STATUS regiszter, vagy az aktuális utasítás sorszámát számontartó Program Counter (PC), a veremmutató (SP) stb. Ha az adatmemória több kisebb egységbe van 106 / 159


szervezve szükség van választóregiszterre stb. A regiszterek másik csoportja a perifériákkal (kibemenetekkel) való kommunikációra és azoknak a vezérlésére szolgál. A regiszterek lehetnek külön szervezve, vagy ugyanazon a buszon csatlakoznak a CPU-hoz mint a változók tárolására szolgáló adatmemória. Az utasítások végrehajtásának taktusát (sebességét) egy a mikroprocesszorhoz kötött kvarckristályoszcilátor szolgáltatja (pl. 12MHz). A mikroprocesszorok egy-egy utasítás végrehajtáshoz több taktust is igényelhetnek. Például a 8051-es családnál egy utasítás végrehajtásához 12 taktusra van szükség. 12MHz-es kvarckristály esetében ez pontosan 1µs jelent, azaz másodpercenként egymillió utasítást. A PIC mikrovezérlőknél minden negyedik taktusban hajtódik végre egy utasítás. Tehát 8MHz-es kvarckristály esetében 2 millió utasítás hajtódik végre másodpercenként. Összegezve: Egy számítógép, a CPU magjának megfelelő, gépi kód (program) végrehajtására képes. A gépi kód, különböző számítógépekre, pontosabban CPU egységekre specifikus. A gépi kód a programmemóriában bináris formában van jelen. Az utasítások sorjában kerülnek végrehajtásra. Ha azonban a program ugró utasításhoz ér az ugróutasításban feltüntetett címre (sor a programban) ugrik, és a végrehajtás onnan folytatódik. Ez az ugrás lehet feltételes vagy feltétel nélküli. A feltételes utasítás adja meg tulajdonképpen a számítógépnek azt a képességet hogy dönteni tudjon. 10.2.1 A mikroprocesszor fogalma (single chip CPU) A mikroprocesszor egy chip-ben (tokban-szilíciumlapon) kivitelezett központi számolóegység (CPUCentral Processing Unit), amely aritmetikai-logikai egységből (ALU- Arithmetic and Logical Unit), vezérlőegységből (CU-Control Unit) és néhány regiszterből áll. Tehát a mikroprocesszor a számítógép alapmodelljének három egységét tartalmazza (egy chip-es CPU). Íme néhány a közelmúltban illetve mostanság használatos miroprocesszortípus: 8080 - Ha a 4040-et nem számoljuk innen kezdődött a mikroprocesszor 8086 - A valamikori IBM PC-XT processzora. 16 bites adatbusz, 32 bites címbusz. Sokan ezzel a típussal mutatják be a mikroprocesszorokat 80286 - A valamikori IBM PC-AT számítógép processzora 80386, 80486 - A nemrégi PC számítógép processzorai, lebegőpontos aritmetikát is tudnak Pentium1 ... P4 stb. - A mai PC számítógépek processzorai Z80 - A valamikori ZX Spectrum processzora. 8 bites adatbusz, 16 bítes címbusz M68000 -Motorolla A mikroprocesszor két sínen (buszon) csatalakozik a memóriához, és a ki-bemenőegységekhez. Egyik a címbusz (Adress Bas) másik az adatbusz (Data Bas). Az adatbusz lehet 8, 16 vagy 32 bites. Meghatározza a feldolgozásra kerülő adat és utasítás nagyságát. A 8 bites mikroprocesszor egyszerre egy bájttal tud dolgozni (0-255 értéktartományban levő adat), míg a 16 bítes egy szóval (word- dupla bájt). A címbusz is lehet 8, 16, 32, 64 bites. Meghatározza a címezhető adatok és programutasítások számát. Például 16 bíttel 65536 (64kB) adat és (illetve) utasítás címezhető. 10.2.2 A mikroszámítógép fogalma (microcomputer) A mikroszámítógépet úgy kapjuk, hogy a mikroprocesszort memóriával, ki-bemenőegységekkel és más perifériákkal kötjük össze. A memóriát (tárat) az előzőek szerint két részre programmemóriára és az adatmemóriára oszthatjuk. Maga a mikroprocesszor a kibemenőegységeket (perifériákat és portokat) is a memóriacímeken látja. Ezeken a memóriacímeken kersztül tud a CPU a perifériákkal kommunikálni. Más fogalmazásban a mikroszámítógép egy olyan számítógép amelynek a CPU egysége (ALU+CU+Regiszterk) egy mikroprocesszor, a többi egység pedig fizikailag különálló. 10.2.3 A mikrovezérlő (mikrokontroller) fogalma A mikrovezérlő (mikrokontroller) egy kisebb lehetőségekkel bíró mikroszámítógép amelyet egy chipben (tokban) helyeznek el (single chip microcomputer). A mikrovezérlő tehát a következő alapegységeket tartalmazza: CPU (Central Processing Unit) + programmemória + adatmemória + 107 / 159


ki-bemenőegységek. A mikrokontrollerrek világában ki-bemenőegységeket perifériáknak is szokták nevezni. A korszerű mikrovezérlők szinte kivétel nélkül Harvard arhitektúrával (különválasztott program és adatmemória) rendelkeznek. A mikrokontoller megnevezést a gyártók már akkor is használják, ha az a CPU-un kívül néhány más dolgot (pl. néhány ki-bemenőegységet) is tartalmaz, de például programmemóriát nem. Mikrovezérlőket nagyon sok változatban gyártanak. Egy adott mikrokontroller-család közös CPU magra épül. Ezen belüli típusok az adat és programmemória nagyságában, valamint a perifériák számában és milyenségében különböznek. Íme néhány a közelmúltban, illetve mostanság használatos mikrokontrollerrtípus: 8048 - az Inel első mikrovezérlője, MCS-MicroComputerSistem 8051 - 8 bites Harvard arhitektúra +alperifériák, a belső programmemória ROM + 128 bájt RAM 8052 - Mint az előző csak több periferia van beépítve 8031 - Mint a 8051, csak a programmemóriát (és plusz adatmemóriát) kivülről kell hozzákötni 80517 - A legtöbb periferiát integráló MCU51-es. A Siemens gyártmánya. Ára kb. 20 Euró 89C2051 - MCU51-es CPU, a programmemória 2k FLASH, az adtmemória 128 bájt. Tokozása DIP20. Az Atmel gyártmánya. Ára mindössze 1 Euró 89S8252 - 8032-es, de a programmemória 8k FLASH. Az adtmemória 256 bájt RAM. Az Atmel gyártmánya. Ára kb. 4 Euró Az Iskolában használjuk. A későbbiekben részletesebben is ismertetjük. A Microchip cég RISC arhitektúraájú mikrokontrollerecsaládja PIC12C(F)XXX – 12 bites utasításhossz amely címet is tartalmaz. 8 bites adatok PIC16C(F)XXX – 14 bites utasításhossz amely címet is tartalmaz. 8 bites adatok. PIC18FXXX– 16 bites utasításhossz amely címet is tartalmaz. 8 bites adatok Az Iskolában használjuk. A későbbiekben részletesebben is ismertetjük. Az ATMEL céga RISC arhitektúrájú mikrokontrollercsaládja. Itt is széles a kinálat. Például: AT90S8535, ATtiny12 vagy ATmega128 stb. A Microchip cég PIC mikrokontrolerrjeinek a megfelelő konkurenciái. Az iskolában nem használjuk. DSP processzorok. Legismertebb gyártók a Texas Instruments (TMS320SFXXX), az Analog Device és a Microchip (dsPIC30FXXX) Ezek a processzorok egy kiegészítő hardveregységet, úgynevezett DSP motrot (DSP Engine) tartalmaznak. Ez az egység a jelfeldolgozásban (pl. hangfeldolgozás, videó) előforduló különleges számolási műveletek hardveres megvalósítását tartalmazza. Ezeket a műveleteket a DSP processzor csupán néhány ciklusban képes megvalósítani. A klasszikus mikrokontollerrek az ilyen műveleteket csak sok elemi utasítás (összeadás, kivonás, összehasonlítás, adatmozgatás) végrehajtása áran tudnák megvalósítani. Legelső ilyen lépésként a hardveres szorzó megjelenését említhetjük. A mikrokontrollerek egyszerűbb egychipes számítógépnek tekinthetők, amelyek leginkáb 8bitesek (az ALU 8 bites adatokkal dolgozik), de vannak 16 sőt 32 bites mikrovezérlők is. A 8-bites mikrovezérlők esetében a piaci harc inkább a sok perifériatipus beépítésében valósul meg. A 16 és 32 bitesek rendszerint kevesebb beépített perifériát tartalmaznak. A közeljövőben sem várható hogy a 16 és 32 bites mikrovezérlők (teljesen) kiszorítsák a szerényebb számolási képeségekkel rendelkező 8 bítes társaikat. A mikrovezérlőket különböző típusú IC tokozatokaba építik (DIP, PLCC, TQFP stb.) és a kivezetett lábszámak is változók (8, 18, 20, 28, 40, 44, 80 stb). Ez típustól és a beépítésre szánt módozattól is függhet (konvencionális nyomtatott lap, vagy SMD technikával készült panel). A pinek egy része általános célú (tápfeszültség, osszcilátor, reset, programbetöltés stb.). Legnagyobb részük 8-as csoportokba szervezett bidirekcionális (kimenetként vagy bemenetként is használható) portpínek (I/O Lines). Ezeknek a píneknek alternatív funkciójuk is lehet (analóg bemenet, PWM kimenet, gyorsszámláló bemenete, interrupt bemenet, a kommunikációs portok ki108 / 159


bemenetei stb.). Egy kivezetés (pin) egy adott alkalmazásnál csak egy szerepkörben használható. Hogy melyik funkciót fogjuk használni, azt a programból, a megfelelő speciális vezérlőregiszterek konfigurálásával lehet beállítani. Erre vonatkozólag a mikrokontrollerek adatlapjai és leírásai részletes útmutatásokkal szolgálnak. Amikor a mikrokontrollerek adatlapjain a lehetőségeket olvassuk, akkor azokat ne adjuk símán össze, mert nem mindig egyszerre (egyidőben) használhatók. Amikor a mikrokontroller tokozatát felülnézetből rajzolják le (Top View - Pin Diagrams) láthatjuk a pínek mellé írt sorszámokat, valamint a pínek funkcionális elnevezését is. Gyakran egy-egy pínhez az alapfunkción kívül egy vagy több alternatív funkció is tartozik. Például P0.2(AD2) vagy RA5/AN4/SS/C2OUT (PIC, RA5) 10.2.4 A mikrovezérlők perifériái A mikrokrovezérlők világában a ki-bemenőegységeket perifériáknak és portoknak hívják. Ezeknek a fő feladata, hogy tartsák a kapcsolatot a külvilággal. Irányítástechnikai szempontból egy részük inrefésznek is tekinthető. Egy mikrokontrollercsalád esetében a CPU mag egyforma, azonban a beépített perifériák típusa és száma különböző lehet. Elvileg elegendő lenne ha a mikrokontroller csak bidirekcionális I/O portokat tartalmazna. Az I/O portokon keresztül, néhány áramkör közbeiktatásával, valamint programozás révén a többi funkciót is meg lehetne valósítani. A perifériák azonban tehermentesítik a mikrokontrollerben futó programot, és lehetővé teszik az olyan gyors változások feldolgozását is, amelyet a CPU mag a szükséges időben nem tudna feldolgozni. Gyakran a mikrokontrollerrek árát nemis a CPU-mag, hanem a beépített perifériák száma szabja meg. A legkevésbé „felszerelt” mikrokontroller is tartalmazza az I/O portokat, egy (esetleg több) időzítőt és számlálót valamint az RS232-es kommunikációs portot. Ezeket szériatartozékoknak is nevezhetjük. Az utóbbi időben a legnagyobb fejlődés a kommunikációs perifériák tekintetében tapasztalható.

109 / 159


A perifériák funkcionális felosztását a következő táblázat tartalmazza. A PERIFÉRIA TÍPUSA I/O portok Egybítes ki/bemenőportok. Egy bájtport 8 bitet tartalmaz Bidirekcionálisak Számlálók/Időzítők Timer0, Timer1, Timer2 Az üzemmódot a programból regiszetereken keresztül lehet konfigurálni (választani). Lehet 8 vagy 16 bites. CCP modulok CAPTURE (átír) COMPARE (összehasonlít) PWM (spec. D/A átalakító) Az üzemmódot a programból regiszetereken keresztül lehet konfigurálni. Adat EEPROM Bájtonként írható és olvasható például 100 000-szer

MAGYARÁZAT Konfigurálhtó mint bemenet vagy mint kimenet. Bitenként is címezhetők. Terhelhetőség pl. 10mA. Időzítő - a belső órajel osztott impulzusait számlálja Számláló - a kivülről érkező impulzusokat számlálja. Ha a elérte a Preset értéket jelez. CAPTURE- A portpínről jövő jelre a számláló aktuális tartalmát átírja egy regiszterbe. COMPARE- A számláló tartalmát összehasonlítja a regiszter tartalmával. Ha egyezik jelez. PWM - Impulzus szélesség moduláció (Analóg kimenet) Az adatokat feszültségkimaradás esetén is megtartja. Mint a PC-én a merevlemez.

8(256), 10(1024) esetleg 12 bites. Az átalakítás bizonyos időbe telik. Amint befejeződött az A/D átalakító jelez. Ha az analóg jel meghaladja a regiszterbe írt értéket a komparátor jelez. USART - pl. soros RS232C Kommunikációs perifériák USART (univerzális, szinkron (kivülről MAX232 szükséges) vagy aszinkron adó és vevő) vagy címezhető RS485 vagy csak UART (kivülről LTC485 szükséges) SSP-I2C (Philips) I2C-Inter Integrated Circuit SSP-SPI (Motorola) SPI-Serial Peripherial Interface CAN (R. Bosch cég) mikrokontrollerek és más intelliLIN (Autóipar Európa) gens chippek kommunikációja USB (mint vendég) Speciális perifériák LCD meghajtó Rádiós adás/vétel Valós óra Telefon DTMF CODEC A/D modulok A/D átalakító A/D komparátor Egy A/D átalakítóhoz, analóg multiplexeren (AMUX) 8 vagy 12 analóg bemenet csatlakozik

110 / 159

NÉHÁNY REGISZTERNÉV PO, P1, P2, P3 (P0.1, P0.2.....) PORTA, PORTB, TRISA, TRISB

TCON, TMOD, TLO, TL1, THO, TH1 TMR0, INTCON, OPTION_REG PIR1, PIE1, TMR1L, TMR1H, T1CON

CCPR1L, CCPR1H, CCP1CON, CCPR2L, CCPR2H, CCP2CON

EECON1, EECON2, EEDATA, EEDATH, EEADR, EEADRH

INTCON, PIR1, PIE1. ADRESH, ADRESL, ADCON0, ADCON1, TRISA, PORTA, TRISE, PORTE

SCON, SBUF INTCON, PIR1, RCSTA, TXREG, PIE1, TXSTA, SPBRG


10.2.5 A mikrovezérlők programozása Manapság a mikrovezérlőben futó program megírására szinte kizárólag PC számítógépet használnak. Régebben voltak speciális programozókészülékek. A PC-t nem csak a program megírására használjuk, hanem a PC-ben felinstallált szoftver segítségével fordítjuk (pontosabban fordítattjuk) le a programot bináris gépi kódra (a mikrokontroller nyelvére). Ezután a mikrokontrollert egy speciális programozókészülékbe helyezzük, amit összekötünk a PC számítógéppel (álltalában RS232 vagy USB-én keresztül). A lefordított programot ezután, szintén egy speciális, PC-én futó program segítségével, leküldjük a mikrokontroller memóriájába. Az így beprogramozott mikrovezérlőt ekkor kivesszük a programozóból és áthelyezzük az általunk fejlesztett céleszközbe (pl. alarmkészülékbe). Olyan megoldások is vannak amikor a mikrokontroller a célkészülékben is szabadon átprogramozható (nem kell külön programozókészülék) In System Programming. A ipari programozókészülékek egyszerre (párhuzamosan) több mikrokontrollerbe is be tudják vinni (égetni) a programot. Ezeket nagy szériáknál használják (pl. autóipar). A program tehát a mikrovezérlőn (mikroszámítógépen) fut, ám a program írására, lefordítására és a hibakresésre egy másik számítógépet (általában PC-ét) használunk. Az ilyen fordítókat keresztfordítóknak (Cross Compiler) nevezik. Alacsony (gépi) szintű programozás Asszembler – Gépi utasítások bináris formában. Közvetlenül így senki sem programoz. Asszembly – Gépi utasítások mnemonikus formában. A bináris kód helyett rövid emlékeztető szavakat, rövidítéseket (mnemonik) írunk. A PC-én futó fordítóprogram, ezeknek majd kikeresi a bináris megfelelőjét. Ezenkívül a változóknak sem kell tudnunk a pontos memóriacímét (sorszámát). Erre a célra is betűkből és számokból álló azonosítókat használhatunk. A valódi címzés és pontos címkiosztás feladatát is a fordítóprogram látja el. Makro Asszembly – A gépi utasításoknak megfelelő mnemonikus formán kívül, magasabb szintű szolgáltatásokat is tartalmaz, mint például a makrók (egy szóval több gépi utasítást helyettesítünk) többszöri ismétlésre (while) szolgáló utasítás, a függvények (procedúrák) könyvtárakba rendezhetők és a programból név szerint hívhatók stb. Az Asszembly program táblázatba van szervezve (sorok, és oszlopok-mezők). Minden sor egy utasítást képvisel. A program soronként (fentről lefelé) kerül végrehajtásra. Ha ugróutásítást (GOTO) használunk akkor a program az adott sorról a megjelölt cimkéjű sorra ugrik. A következő táblázatban a PIC mikrokontoler példáján próbáljuk az Asszembly programozást szemléltetni. Cimke (Labela) Csak ha van ugrás Ha szeretnénk ide ugrani, beírunk egy szöveget.

Opertátor (Művelet) Kötelező A 8051-es mikrokontroller 255 utasítással rendelkezik. A PIC-eknek kevesebb utasítástuk van (RISC) MOVLW BCF BCF MOVWF

Operandus(ok) Kötelező Konstáns (literál), változó, regiszter. Lehet érték vagy cím formájában 212 STATUS, RP1 STATUS, RP0 PORTD

Kommentár Kihagyható Ide írjuk a magyarázatokat. Példa: PORTD = 212; Vagy másként (C-ben) PORTD = 0b11010100; Vidd a 212 konstánst a W-be Állitsd be a RAM Bank0-át (4x128bájt) Vidd ki a W-t a PORTD-re

Elvileg a leghatékonyabb kódot asszemblerprogramozással lehet nyerni. Azonkívül asszemblerprogramozással minden probléma megoldható, amelyre az adott mikrokontrollert kitalálták. Használata azonban nehézkes. Ismerni kell a mikrokontroller belső arhitektúráját. A programkód nehezen áttekinthető, és nem követi eléggé a természetes emberi gondolkodásmódot. Ezért nem alkalmas olyan csoportmunkára, amikor egy nagyobb rendszert vagy szoftvert többen fejlesztenek. Magas szintű (a géptől elvonatkoztatott) programnyelvek Az 1980-as évek végén és 1990-es évek elején a mikrovezérlők programozására is megjelentek a magasabb szintű programnyelvek, amelyeket a nagy számítógépek és PC-ék programozására már korábban is alkalmaztak. Ezek rendre struktruált programnyelvek. Az objektum orientált programnyelvek a mikrovezérlők programozására egyenlőre nincsennek jelen. Az alkalmazott 111 / 159


programnyelvek szintaktikája és szemantikája nagyjából megfelel a szabványokban előírt (vagy a PCken futó) megfeleő nyelvezeteknek. A mikrovezérlők specifikuma (mikroszámítógép, de azért csak eltér a nagy számítógépektől) megköveteli a már létező és szabványosított programnyelvek némi módosítását. Ezért dialektusokról beszélünk. Aki például írt programokat C-nyelven, amelyek PC-én futottak, kevés hozzátanulással a mikrovezérlőket is programozhatja, egy kissé eltérő C-nyelven. Ma már szinte mindegyik mikrovezérlő a következő programnyelveken programozható: Basic – Kezdőknek szánják. Azonban sok esetben az alapnyelvet kibővítik és nem sokban marad el a C-lehetőségeitől. A Basic programnyelv igyekszik mindenre szavakat használni, ezért kezdők (sőt angolul tudó laikusok) számára is könnyen olvasható és intuitív alapon értelmezhető. Pascal – Aki programozott TurboPascal-ban vagy Delphi-ben nyugodtan ezt választhatja. C (és némi C++) – A C programnyelv kevés kulcsszavat, viszont sok adattípust és operátort definiál. Ez hatékonyabbá teszi a programozást. Azonkívül viszonylag sok speciális karaktert használ a szavak helyett. Ez kissé megnehezíti a kezdő programozó munkáját, viszont nagyban megkönnyíti a fordítóprogram dolgát. A C-nyelvet propagáló és magasztaló kisesszékkel a számítógépes újságok hasábjain bőven találkozhatunk. A magasabbszintű programnyelvekben írt programok, megírása könnyebb, a program áttekinthetőbb és bizonyos mértékig független az adott mikrokontrollertől. A perifériákat (ki bemenőegységeket) ugyan ismerni kell, de csak funkcionális szinten. Ha a programnyelv rendelkezik megfelelő könyvtári függvényekkel a regiszterneveket és funkciókat sem kell ismerni. A CPU felépítéséről és működéséről is nagyon keveset kell tudni, néha még azt sem hogy hány bites a mikrokontroller. Az is nagy segítség, hogy a matematikai műveleteket a már jól megtanult módón lehet írni (kifejezések, + - * / =, zárójelek használata, trigonometriai függvények stb.). Pl. szabadon írhatunk szorzást, osztást, lebegőpontos aritmetikát használhatunk, még akkor is ha a mikrokontroller CPU-ja ezeket a műveleteket közvetlenül nem támogatja. A fordítóprogram fogja helyettünk „megírni” például a szorzás műveletét (a szorzás visszavezethető többszörös összeadásra). A magasabb szintű programnyelvekből nyert gépi kód hatékonysága azonban rosszabb mint ami közvetlen asszemblerprogramozással elérhető. A bináris gépi kód hosszabb (nagyobb méretű programmemóriára van szükség) a működése pedig lasúbb. A fordító nem bisztos hogy támogatja és kihasználja a mikrokontroller CPU-jának a teljes funkcionalitását. A különböző gyártóktól származó fordítóprogramok (comiller-ek) között nagy mértékű minőségi külömbségek észlelhetők. A magasabbszintű programnyelvek (illetve fordítók) álltalában nem ingyenesek, és nem is a mikrokontrollert gyártó cégtől származnak. A mikrokontrollert gyártó cég álltalában csak ingyenes Asszembler-rel lát el bennünket. 10.2.6 Az AT89S8252 mikrovezérlő bemutatása (Iskola 5 drb.) A 8051 MSC-51-es mikrokontrollercsalád, 8 bites Harvard arhitektúrájú mikroszámítógép, 1981-ben került a piacra. Ezt követte a 8052 típus, amelyet a továbbiakban alaptípusnak tekintük. Kielégíti az egychipes mikroszámítógép alapkövetelményeit (ALU + CU + regiszterek + programmemória + adatmemória + ki-bemenő egységek). Mind az adat mind a programmemória bitszáma 8 (program busz és adat busz). Tehát CPU minden tekintetben 8-bites. Azonkívül a mikrochipben 128 (ugyancsak 8-bites) speciális funkcionális regiszter SFR számára van hely előrelátva (rezezrválva). Az első 8051es típusnál csak 21, a 8052-nél pedig 26 regiszter van implementálva. Valójában ezeken a regisztereken kersztül tartjuk a kapcsolatot a mikrokontrollerbe épített perifériákkal (kibemenőegységekkel). A különböző gyártók megvásárolták az INTEL-től a CPU-mag és az utasítások (255 asszembler utasítás) licenszét. és különböző perifériákat kezdtek a chip-be integrálni (anlóg bemenet, PWM, SPI stb.). Igy nagyon sok 8051-es magra épített derivát keletkezett. A belső programmemória ROM, ami az egyszerű felhasználók számára nem sokat jelent, mivel csak a mikrokontroller gyártója tudja a programot beleírni. Ez csak nagy szériáknak felel meg (pl. videórekorder). A programot el kell küldeni a gyártónak, és az gyártás közben a leszállított chipbe belégeti.

112 / 159


Egy teljes művelet (pl. összeadás) végrehajtására 12 osszcilátorciklus szükséges. Például ha 12MHz-es kvarckristályt alkalmazunk egy utasítás 1μs alatt hajtódik végre, illetve 1 millió utasítás másodpercenként. Megjegyzés: A 8031 és 8032 típusoknál nincs belső programmemória. A program (és adat) memória kivülről csatlakoztatható a mikrokontrollerhez (max 64k + 64k). Ilyenkor programmemóriaként különálló EPROM-ot használnuk, és szabadon programozhatjuk a rendszerünket. Az így összeszerkesztett panel (nyomtatott lap) bonyolultabb, de a közelmúltig a kis szériákat gyártók számára ez volt az egyetlen járható út. Az AT89S8252 mikrokontroller identikus a 8052 típussal, azzal, hogy a beépített programmemória nem ROM (amelyet csak a gyártó, gyártás közben, és csak egyetlen egyszer tud beprogramozni) hanem FLASH. A FLASH memóriába a felhasználó is beleégetheti a programot, föltéve ha rendelekzik megfelelő programozókészülékkel. A 8051-es CPU arhitektúrát és utasításkészletet, annak ellenére hogy ma már elavultnak nevezhető, sokan ipari szabványként emlegetik (emlegették), amelyet a rengeteg kész program és megvalósítás bizonyít. A beépített FLASH (1994???) után, a 8051-es arhitektúra egy újabb reneszánszot élt át, amely azonban sokak véleménye szerint lecsengőben van. Ezt a típust az ATMEL cég gyártja. Az AT89S8252 mikrovezérlő főbb jellmzői: Kompatibilis a MCS-51™ termékekkel (családdal) • 8K bájt programmemória. A rendszerben átprogramozható és betölthető Flash memória. SPI soros interfész a progarm betöltésére. Csak az kell hogy ismerje aki programozót is gyárt. A program legalább 1.000 szer törölhető és újraírható. Iskolai célokra ez nem túl sok. • 256 bájt adatmemória. Belső (Internal) írható/olvasható (R/W) RAM. • 2K bájt beépített EEPROM bizonyos adatok (pl mérési) tárolására. A beírt értéket feszültségkimaradás esetén is megörzi.100.000szer törölhető és újraírható. Pl. ha meteorológiai állomást csinálunk bizonyos időközökben ide írhatjuk a hőmérséklet és a nyomás értékét. • 8x8 bites hardverszorzó. Az ALU összeadási és kivonási műveleteken kívül 8 bites adatok szorzására is képes. Ezenkívül BOOLprocesszort is tartalmaz. • Tápfeszültség 4V - 6V tartományabn lehet • Taktusfrekvencia 0 Hz - 24 MHz , tehát 0Hz-ig csökkenthető. • Három szintű programzárolás. Megakadályozhatjuk, hogy más kiolvassa a programunkat. • 32 programozható ki-bemenet. (32 I/O Lines - Port) • Három darab 16-bites időzítő/számláló (Timer/Counters). • 9 interrupt (programmegszakítás) forrás. Generálás kívülről, vagy valamelyik periféria. 113 / 159


• Programozható soros UART. (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) • SPI soros interfész (Serial Interface) • Energiatakarékos, szundi üzemmód. (Low Power Idle and Power Down Modes) • Programozható örzőkutya (Programmable Watchdog Timer). Mi a DIP40-es tokozást használjuk. Ára kb. 3-4 Euró. Olcsóbb változat a DIP20 tokozású (húszlábas) AT89C2051. Ennél a programmemória 2 kbájt, a belső RAM pedig 128 bájt. Ára kb. 1Euró. Iskolánkban 5drb easy51 jelzésű (mikroElektronika-Beograd gyártmánya) proramozó és fejlesztőkészülék áll a diákok rendelkezésére. A fejlesztőpanel segítségével az AT89S8252 típusjelzésű mikrokontrollereket tudjuk programozni és a programot tesztelni. A kész és lefordított (Intel HEX formátban előkészített) program betöltése USB csatlakozón keresztül történik. Mind a 32 I/O láb, LED diódára illetve nyomógombra van vezetve. Ha az adott portlábat kimenetként programozzuk a LED dióda világít, ha pedig bemenetként, akkor a tasztert kell megnyomni, hogy a bemenetet szimuláljuk. Bizonyos portlábakhoz egy 2x16 karakteres LCD és 4 darab 7 szegmenses kijelző csatlakozik.A mikrokontrollerbe épített soros csatlakozó (RXD-P3.0 és TXD-P3.1 ) MAX232 illesztőn kersztül ki van vezetve és közvetlenül csatlakoztatható a PC számítógép RS232-es portjához. A piros szinű DIP kapcsolókkal és néhány Jumper segítségével választhatjuk, hogy az I/O lábakat hova kötjük. A fejlesztőpanelhez részletes leírás is tartozik angol nyelven.

Miután a programot leteszteltük, az AT89S8252 mikrokontrollert óvatósan kivesszük az aljzatból és áthelyzzük abba a célkészülékbe ahol működni fog. Ha a készüléket csak tanulási célokra használjuk, megelégedhetünk a panelon történő teszteléssel is. A programot a PC számítógép fejlesztőszoftverével is (részben) le tudjuk tesztelni. Mivel a mikrokontroller FLASH memóriája csupán 1000-szer írható újra, akármilyen kis változtatás miatt ne égessük bele újra a programot. 10.2.7 Az AT89S8252 mikrovezérlő programozása (KeilC vagy BASCOM) A fent ismertetett fejlesztőpanel megvásárlásakor (ára 99 Euro adó nélkül) a mellékelt CD-én több szoftvert, programcsomagot és leírást is kapunk (mind angol nyelven). Három fajta programozási lehetőség van: - 8051 CROSS ASSEMBLER - mikroElektronika – Beograd 2002 - 2004 - C Compiler – Keil Elektronik GmhH 1995 - 2000 - BASCOM - MCS Electronics 1995 - 2002 Ezenkívül egy program a FLASH betöltésére. Neve ATflash.exe. 114 / 159


A legegyszerűbben a BASCOM fejlesztőszoftver (fordító) segítségével lehet programozni. Ezt ismertetjük kivonatosan. A program forrásszöveg sorokból áll, melyek egy vagy több számolási vagy vezérlési utasítást tartalmaznak. Szintaxisa nagyjából megfelel a standard BASIC nyelvének, de néhány parancs kifejezetten az itteni hardverhez illeszkedik. A végrehajtás a sorok egymás utáni sorrendje szerint történik. Minden programsor egy vagy több utasítást tartalmaz, melyek kettősponttal vannak elválasztva. A program irását a BASCOM fejlesztőszoftver szövegszerkesztője segíti (különböző szinűre állíthatjuk a kulcsszavakat, változókat, kommentárt stb.). A program fordítása (Compile), mentése (Save), tesztelése (Simulate) stb. is ugyanebből a környzetből történik. Ezenkívül még egész sor szolgáltatás könnyíti a programozást és a programfejlesztést. A programban először a változókat kell deklarálni (Bit/Boolean, Byte, Word, Integer, Long, Single vagy String) Dim M1 As Bit , M2 As Bit , Impuls1s As Bit ' Értéke 0 vagy 1 Dim Proglepes As Byte, Masodperc As Byte , Perc As Byte , Pc_tol As Byte ' Értéke 0...255 Dim Ido As Integer ' Értéke 0...255 Gyalog22piros Alias P3.4 Gyalog22zold Alias P3.5 Fel Alias P3.6 Le Alias P3.7

A program ezutám álltalában egy inncializáló részt tartalmaz (indítaáskor vagy reszet után csak egyszer kerül végrehajtásra). Itt kell elvégezni a kezdőbeállításokat. Load Timer0 , 181 Enable Interrupts Enable Timer0 Rem A Timer0 bir legnagyobb prioritassal az interaptok kozul Priority Set Timer0 Start Timer0 Ido = 0 : Uzemmod = 1 : Proglepes = 0

Ezután egy végtelen ciklus következik, pl, a Do ...Loop utasítás formájában Do Pc_tol = Inkey() If Pc_tol = "A" Then Inc Uzemmod If Pc_tol = "C" Then Dec Uzemmod Rem A Fel megnyomasaval eggyel noveljuk az Uzemmodot If Fel = 1 Then M1 = 1 If Fel = 0 And M1 = 1 Then Inc Uzemmod M1 = 0 End If If Uzemmod > 6 Then Uzemmod = 6 Rem A Le miden megnyomasaval eggyel csokkentjuk a Programlepes szamlalot If Le = 1 Then M2 = 1 If Le = 0 And M2 = 1 Then Dec Uzemmod M2 = 0 End If If Uzemmod = 0 Then Uzemmod = 1 Loop

115 / 159


10.2.8 A PIC (P16F877A és 18F4550) mikrovezérlők bemutatása (Iskola 1 drb.) A PIC (Peripheral Interface Controller) mikrovezérlőkre is elmondhatjuk, hogy bőségesen kielégítik a mikroszámítógép (ALU + CU + regiszterek + programmemória + adatmemória + ki-bemenő egységek) alapkövetelményeit. Ugyanúgy Harvard arhitektúrával (különálló program és adatmemória) rendelkeznek, de a program és adatmemória bitszáma nem egyforma. Az adatmemória hossza továbbra is 8-bites, viszont a programmemória hossza típustól függően 12, 14 vagy 16 bites. Más szóval egy adat hoszza 8 bit, egy utasítás hossza pedig 12, 14 vagy 16 bit. Ezt nem szabad összekeverni a címezésre szolgáló busszal! Első látásra úgy tűnne, hogy az ilyen mikrokontrollerbe nem 255, hanem sokkal több különböző utasítás implementálható. Azonban a PIC mikrovezérlők mégis a csökkentett utasításszámú (RISC Reduced Instruction Set Computer) processzorok családjába tartoznak. Például a 14 bites utasításban csak 7 bit a valódi műveleti parancs, és 7 bit az operanduscím. Minden utasítás egyszavas (itt a szó alatt 14 bítet értünk). Ez a hozzáállás meggyorsítja a műveletek végrehajtását. Csupán négy osszcilátorciklus kell a teljes művelet végrehajtására (8MHz-nél egy utasítás 500ns alatt hajtódik végre, illetve 2 millió utasítás másodpercenként). Azonkívül programozó számára a kevés gépi utasítás elsajatítása könnyítést jelent. A PIC mikrovezérlőket a Microchip Technology cég gyártja és több száz (ezer??) típus van forgalomban. Ezeket a CPU-magnak megfelelően családokba sorolják. Iskolánkban a PIC16F877A típust használjuk, valamint a beépített USB periféria miatt a 18F4550-es típust is tervezzük használni. A típusjelölésnél az első két szám a PIC családra utal, míg az F betű a beépített Flash programmemóriát jelenti. A PIC16F877A mikrovezérlő főbb jellemzői: • RISC arhitektúra. Mindössze 35 egyszavas utasítás amelynek hossza 14 bit. • 14,3 kilóbájt Flash programmemória. Ez 8192 sor 14 bites utasítást jelent. A rendszerben átprogramozható és betölthető. A program legalább 100.000-szer törölhető és újraírható. Iskolai célokra is nagyon jó! • 256 bájt beépített EEPROM bizonyos adatok (pl mérési) tárolására. 106-szor (1 millió!!!) törölhető és újraírható. Legalább 40 éves adatmegmegörzés. • 368 bájt adatmemória. Belső (Internal) írható/olvasható (R/W) RAM. • Tápfeszültség 2.0V - 5,5V tartományban lehet. • Taktusfrekvencia 0 Hz - 20 MHz , tehát 0Hz-ig csökkenthető. • Programozható kódvédelem. Megakadályozhatjuk, hogy más kiolvassa a programunkat. • 33 programozható ki-bemenet. Portnevek RA0-5, RB0-7, RC0-7, RD0-7, RE0-2 • Három darab időzítő/számláló (Timer/Counters). Különböző karkterisztikákkal. • Két Capture, Compare, PWM modul. Az összehasonlítás 16 bites, a PWM 10 bites. • 8 analóg bemenet egy közös 10 bites A/D átalakítóval (Szukcesszív approkszimáció). • 2 analóg komparátor. Az analóg bemenőjel számértékét komparálja egy regiszterbe írt számhoz. • 15 interrupt (programmegszakítás) forrás. Generálás kívülről, vagy valamelyik periféria. • Programozható soros USART/SCI (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) 9 bites címérzékeléssel. • Szinkron soros SSP (Synchronous Serial Port). SPI (Master) és I2C (Master/Slave) mód. • Energiatakarékos, szundi üzemmód. 116 / 159


• Programozható örzőkutya (Watchdog Timer WDT). Mi a DIP40-es tokozást használjuk. Ára kb. 6-8 Euró. A perifériák tekintetében lényeges külömbség az AT89S8252 típushoz képest az analóg bemenetek jelenléte és a PWM (mi analóg kimenet szerepében fogjuk használni). A PIC18F4550 mikrovezérlő főbb jellemzői: • RISC arhitektúra. Összesen 72 egyszavas utasítás, amelynek hossza 16 bit. • 32 kilóbájt Flash programmemória. Ez 16384 sor 16 bites utasítást jelent. • 256 bájt beépített EEPROM mérési adatok tárolására. • 2048 bájt adatmemória. Belső (Internal) írható/olvasható (R/W) SRAM. • 8x8 bites hardverszorzó. Egy ciklusban hardveresen szoroz. A többi adatok és perifériák száma hasonló az előző típushoz. Kiemeljük az USB-t. • USB V2.0. Alacsony (1.5 Mb/s) és magas (12 Mb/s) sebesség. Csak mint vendég (szolga). Mi a DIP40-es tokozást használjuk. Ára kb. 8 Euró. Iskolánkban 5 drb easyPIC3 jelzésű (mikroElektronika-Beograd gyártmánya) proramozó és fejlesztőkészülék áll a diákok rendelkezésére. A fejlesztőpanel segítségével a PIC mikrokontrollerek néhány családját és nagyon sok típusát tudjuk programozni. Többek között az előbb említett két típust is. A kész és lefordított (Intel HEX formátban előkészített) program betöltése USB csatlakozón keresztül történik. Mind a 32 I/O láb, LED diódára illetve nyomógombra van vezetve. Ha az adott portlábat kimenetként programozzuk a LED dióda világít, ha pedig bemenetként akkor a tasztert kell megnyomni, hogy a bemenetet szimuláljuk. Bizonyos portlábakhoz egy 2x16 karakteres LCD és 4 darab 7 szegmenses kijelző csatlakozik.A mikrokontrollerbe épített soros csatlakozó (RXD-P3.0 és TXD-P3.1 ) MAX232 illesztőn kersztül ki van vezetve és közvetlenül csatlakoztatható a PC számítógép RS232-es portjához. A piros szinű DIP kapcsolókkal és néhány Jumper segítségével választhatjuk, hogy az I/O lábakat hova kötjük. A fejlesztőpanelhez részletes leírás is tartozik angol nyelven.

117 / 159


Miután a programot leteszteltük, az PIC mikrokontrollert óvatósan kivesszük az aljzatból és áthelyzzük abba a célkészülékbe ahol működni fog. Ha a készüléket csak tanulási célokra használjuk, megelégedhetünk a panelon történő teszteléssel is. A programot a PC számítógép fejlesztőszoftverével is (részben) le tudjuk tesztelni. Mivel a mikrokontroller FLASH memóriája a PIC-eknél már 100000szer újraírható, ezért nincs szükség olyan nagyfokú „spórolásra” ami a többszöri beégetést illeti. 10.2.9 A PIC mikrovezérlők programozása (mikroBASIC vagy mikroC) A fent ismertetett fejlesztőpanel megvásárlásakor (ára 99 Euro adó nélkül) a mellékelt CD-én több szoftvert, programcsomagot és leírást is kapunk (mind angol nyelven). Négy fajta programozási lehetőség van: - MPLAB IDE V722 - CROSS ASSEMBLER - Microchip Technology 2003 - mikroC Compiler V.5 – mikroElektronika – Beograd 2002-2005 - mikroPascal Compiler V.3 – mikroElektronika – Beograd 2002-2005 - mikroBasic Compiler V.4 – mikroElektronika – Beograd 2002-2006 Ezenkívül egy program a FLASH betöltésére. Neve PICFLASH2.exe. Az Microchip Technology CROSS ASSEMBLER-re ingyens és nem tartalmaz korlátozást. A mikroC, mikroPascal, és mikroBasic ingyenes verziója korlátozást tartalmaz. A legnagyobb lefordítható program mérete 2k (2048 bájt) lehet. Ez tanulási célokra és kisebb alkalmazásokhoz elegendő. A PIC16F877A programmemóriája 8k, tehát ennek az egynegyede használható. A fordítóprogramok egypéldányos teljes verziói 60-100 Euro közt mozognak. Mivel mind a három fordítóprogram ugyanazon cégtől származik, használatuk is nagyon hasonló. A Windows kezelőfelület a program írására, tesztelésére, letöltésére stb. szinte teljesen azonos. A könyvtári függvények is azonosak (név, paraméterek). Annélkül, hogy ismertetnénk a program használatát az alábbiakban egy egyszerű programlisztinget mellékelünk. Ugyanarra a célra, az egyik Basic a másik pedig C nyelven íródott

mikroBasic program Led_blinking main: TRISB = %00000000 PORTB = %11111111 while true PORTB = not PORTB delay_ms(1000) wend end.

mikroC ' A program neve ' Kezdődik a főprogram 'A PORTB kimenet ' Kezdőérték ON ' Végtelen ciklus kezdet ' Invertáld a portot ' Várj 1 másodpercet ' Végtelen ciklus vége ' A program vége

void main() {

//Kezdődik a főprogram

TRISB = 0b00000000; PORTB = 0b11111111; while(1) { PORTB = ~PORTB; Delay_ms(1000); } }

// A PORTB kimenet // Kezdőérték ON // Végtelen ciklus kezdet // Invertáld a portot // Várj 1 másodpercet // Végtelen ciklus vége // A program vége

Ha ezt a programi beégetjük a mikrokontroller memórijájába a következő fog történni: A PORTB-re kötott 8 LED dióda 1 másodperces időközönként begyullad illetve elalszik. Ha kezdőértéknek PORTB = %00001111 adtunk volna, akkor amikor az első négy dióda világít, a második négy nem világítana. Mivel a porok lehetnek bemenetek vagy kimenetek, a program elején meg kell adnunk, hogy szeretnénk őket használni. Például a TRISD = %11110000 azt jelenti, hogy a PORTD első négy (0-3) lába kimenet a második négy (4-7) pedig bemenet. A % (illetve a C nyelvben az 0b) azt jelent hogy az értékadás bináris formában történik. A decimális értékadásnál nem kell prefiksz (PRTB =0, vagy PRTB =255 stb.).

118 / 159


10.2.10 A mikrovezérlők kiegészítése külső hardverelemekkel Ahhoz, hogy a mikrovezérlőket össze tudjuk kötni a folyamattal, egész sor hardverelemmel kell kiegészíteni. A mikrokontroller működést, és kiegészítését szolgáló fontosabb hardverelemek: - A mikrovezérlőt feszültséggel ellátó tápegység (álltalában +5VDC, de szükség lehet egyéb feszültségekre is). - A mikrokontroller órajelét előállító áramkör (kvarckristály és néhány kondenzátor) - A mikrokontoller újraindítását bisztosító RESET áramkör (ellenálás, kondenzátor, nyomógomb). - Az egybítes kimenőportok illesztése nagyobb áramot igénylő fogysztókhoz. A felerősítésre hasznélhatunk tranzisztort, relét, meghajtó IC-t stb. - Az egybítes bemenőportok illesztése a nyomógombokhoz, vagy a nagyobb távolságokban elhelyezkedő visszajelző érintkezőkhöz (felhúzó/lehúzó ellenálás, feszültségosztó, optokoppler). - Az anlóg bemenetek illesztése feszültségosztók, müveleti erősítők és müszererősítők felhasználásával (lásd: 6.1.2 A műveleti erősítők alkalmazása) - Az anlóg kimenetek illesztése (lásd: 6.1.7 D/A átalakítók és a PWM) - A kommunikációs portok illesztése, mint amilyen az RS-232C és RS-485 soros interfész (lásd: 6.3.2 Kommunikációs-számítógépes hálózatok) - A digitális kijelzők (LCD, 7 szegmenses LED) illesztése (lásd: 7.2.4 Digitális kijelzők) - Az igényesebb és ipari célokra használt készülékeknél az összes portpín galvanikus elválasztása. Ezt optokopplerek és elválasztótranszformátorok segítségével lehet megvalósítani. A említett funkciók részleges megvalósítására a mellékelt ábrák adnak magyarázatot. 119 / 159


120 / 159


10.3 Jelfeldolgozás PLC-ék segítségével Az irányítástechnikai feladatok megvalósításának egyik mai legelterjedtebb eszköze a szabadon programozható autómata (PLC - Programmable Logic Controlers). A gyártók ezeknek a készülékeknek a sokaságát kinálják, egészen kis egységektől (pl. 6 bemenet, 4 kimenet) a nagy és modulárisan kivitelezett rendszerekig (néhány ezer ki-bemenet). Alkalmazásuk egyszerűbb mintha csupasz mikrokontrollereket használnánk. Azonban ennek ára is van. A felhsználó dolga és felelősége, hogy gazdasági megfontolások, valamint saját lehetőségei és tudása alapján döntsön arról, hogy melyik eszközzel fogja az irányítástechnikai feladatait megoldani. 10.3.1 A szabadon programozható automata A szabadon programozható autómata (PLC –Programmable Logic Controlers) egy olyan elektronikus készülék amely sok más alkatrészen kívül mikroprocesszort (vagy mikrovezérlőt) és tárolót tartalmaz. Ha az előzőekben ismertetett mikrovezérlőkkel próbálnánk összehasonlítani a következőket mondhatnánk. A PLC valójában egy sor elemmel felizmosított mikroprocesszor vagy mikrovezérlő. A mikrovezérlő köré épített alkatrészek lehetővé teszik a készülék közvetlen csatlakoztatását a irányítástechnikai rendszer többi eleméhez, azaz a szenzorokhoz, aktorokhoz, parancsadó szervekhez és prezentációs eszközökhöz. A PLC-ék szerelése (beépítése és összehuzalozása a rendszer többi elemével) csak villanyszerelői szakismereteket igényel (csavarhúzó, fogó és hasonló). A PLC-ék programozása is szakmaközelibb, különösen a relés technikához szokott erősáramú szakemberek számára.

A baloldali ábrán a PLC-ben futó program jelfolyamábráját láthatjuk. A PLC-ben futó program (az esetek túlnyomó többségében) végtelen ciklusban dolgozik. Miután a készüléket bekaocsoltuk (Start), az e1ső művelet a környezetből jövő információk beolvasása. Ezek a bejövő információk a szenzorokból érkeznek (hőmérséklet, nyomás, véghelyzetkapcsolók stb.), vagy az ember által kiadott parancsok (Start/Stop, üzemmód kiválasztása stb). Miután az inforációkat beolvastuk következik a program szerinti jelfeldolgozás. Miután minden kimenőjel értékét kiszámítottuk, kiírjuk az eredményeket a valódi kimenetekre. Az így leírt műveletek a program nagyságától függően legtöbb 100ms ideig tarthatnak. Miután a műveletsorozat befejeződött az egész folyamat újrakezdődik. Tehát a program végtelen ciklusban dolgozik. A készülék állandóan figyeli (másodpercenként 10-szer sőt 1000-szer) hogy történt e a bemenetein valamilyen változás. Ha nem történt akkor is újraszámol. Nem kell megijedni, ez a feleslegesnek tűnő újraszámolás nem kerül pénzbe, attól pedig hogy a PLC (vagy mikroprocesszor) a sok számolás közben hibázik egyáltalán nem kell tartani. Ez az elv tulajdonképpen a jelek reális (valós) időben való feldolgozását jelenti. 121 / 159


Ha a folyamatban lezajló változások gyorsak, nagyobb sebességű PLC-re van szükség. A gyártók azt is meg szokták adni, hogy egy elemi utasítás mennyi időbe telik. A felhasználó pedig a programhossz alapján kiszámolhatja a lefutási időt. A nagyon gyors változások regisztrálására külön hardver is szolgálhat (pl. a gyorsszámláló, megszakítások használata) hasonlóan mint a mikrovezérlők alkalmazásánál. A PLC-ék működését általában két program segíti. Egyik az úgynevezett rendszerprogram (hasonlóan mint a PC számítógépeken a BIOS, DOS vagy a Windows), a másik pedig a felhasználói (applikatív) program. A rendszerprogram a PLC valamelyik memóriarészlegébe van beégetve, a felhasználó számára nem hozzáférhető, és a PLC gyártó tulajdonát képezi. Ha a PLC-ét hardverszinten le is kopíroznánk, az általunk megírt felhasználói programokat nem tudnánk rajta futtatni. A rendszerprogram természetesen nem csak arra szolgál hogy a gyártót megvédje a készülék illetéktelen lemásolásától, hanem fontos rendszertechnikai feladata is van. Tartalmazza az alaprutinokat, mint amilyen a valós idő számolása, a bemenetek beolvasása, a kimenetek kiírása, ellenörzések végrehajtása stb. A felhasználói program valójában a rendszerprogram szolgáltatásait (procedúráit és függvényeit) hívja segítségül. A felhasználói program csak az irányítástechnikai feladatok utasítássorozatát tartalmazza, mindenfajta más műveletektől menetesen. Olyan változat is van amikor a rendszerprogram interpretálja a felhasználóprogram utasításait. Megjegyzés: Amikor „csupasz” mikrovezérlőket használunk az irányítástechnikai feladatok megoldására, és azt Asszebly-ben, Basicben, Pascalban vagy C-ben programozzuk, a fordítóprogram egy gépi kódsorozatot állít elő, és nincs szükség semmifajta rendszerprogramra vagy operációs rendszerre. Persze itt is van kivétel pl. a BasicStamp (a mikrokontrollerbe gyárilag beégetett Basic interpretter). A fizikai megvalósítás tekintetében a PLC-ket kompakt vagy moduláris kivitelben gyártják: - A kompakt kivitelnél a készülék összes eleme (CPU, program és adatmemória, valamint a kibemenőegységek és a táp) egy tokban (házban) van elhelyezve (egységes konstrukciót képez). A képen egy ilyen készülék látható (az iskolában 2 drb. van, ára kb. 150 Euro). A készülék a CPU-n, valamint az adat (64bájt) és programmemórián (10kB a felhasználói programoknak kb. 6kB pedig a rendszerprogram) kívül a következő kibemenőegységeket tartalmazza: 4 relés kimenet (K1, K2, K3, K4). 8 egybites bidirekcionális ki/bemenet (P1….P8). 5/8 analóg bemenet (A1….A8). 2 PWM (analóg) kimenet. 2 gyorsszámlálós (F1, F2) bemenet. Két típusú kommunikációs port (RS232 és I2C). Bemenet a DCF antenna (óra) bekötésére. Táplálható közvetlenül a hálózatról (230V, 50Hz), vagy egyenfeszültségről (12VDC). Az előlapon négy programozható LED dióda, egy kétsoros LCD kijelző, és egy nyomógombmátrix található. A készülék programozása BASIC-hez hasonló nyelvezettel lehetséges, egy erre a célra kialakított szoftveres fejlesztőkörnyezetben. - A moduláris kivitelnél van egy központi egység, a miroprocesszorral, program és adatmemóriával esetleg a táppal, a ki-bemenőegységek pedig fizikailag különállóak. Az ilyen felépítés sok kombinációs lehetőséget eredményez. A szükségletek szerint, egy adott központ egységhez különböző típusú és számú ki-bemenőmodulokat válogathatunk. Olyan megoldás is van amikor központi egység is tartalmaz bizonyos számú kimenetet és bemenetet, de ez bővíthető különböző számú és típusú ki-bemenőegység hozzáadásával. 122 / 159


10.3.2 A PLC központi egysége A PLC központi egységét is CPU-nak (Central Processing Unit) szokták nevezni, ami nem teljesen azonos a mikroprocesszor, vagy a mikrovezérlő CPU funkciójával. A PLC központi egysége tartalmaz egy mikroprocesszort, vagy mikrovezérlőt, a szükséges kiegészítőegységekkel mint amilyen az órajelgenerátor. Ezenkivül a PLC CPU egysége tartalmmazza a szükséges program és adatmemóriát, valamint a kommunikációs vezetékeket (buszt) a különböző ki–bemenőegységek csatlakoztatásához. Van rajta egy csatlakozóinterfész (pl. RS232) amelyen keresztül a felhasználó a programot át tudja vinni (be tudja írni) PC-ből a PLC készülékbe. A PLC-ék általában nagyobb program és adatmemóriával rendelkeznek mint a mikrovezérlők. Leginkább ezek a memóriaelemek különálló tokokban (IC-ék) ben vannak elhelyezve. Ezenkívül a programmemória is még két részre oszlik (mint ahogy azt az előbbiekben elmondtuk): a rendszerprogramot tároló részre, és a felhasználói programot tároló részre. A rendszerprogramot tároló rész lehet ROM, és a felhasználó számára nem hozzáférhető. Az felhasználói (applikatív) programot tároló rész általában EEPROM vagy FLASH memória. Az adatmemória pedig RAM, ugyanúgy mint a mikrovezérlőknél. A változók helyei általában előre és pontosan definiáltak. Előre meghatározott számú bít (Merker) bájt és duplabájt-szó, időrelé, számláló (a számok idők stb. tárolására). A CPU tartalmazhat valós idejű órát, amelyet nem a mikroprocesszor generál az órajel alapján, hanem erre egy különálló (sokkal pontosabb) egység (IC) van előrelátva. 10.3.3 A PLC ki- és bemenőegységei A PLC vezérlőkészüléket a ki-bemenőegységek révén köthetjük össze a külvilággal (folyamattal). Ezek az elemek pedig, mint már azt sokszor elmondtuk, az aktorok, szenzorok, prancsadó és prezentációs eszközök. Általánosítva ezek a következő modulok lehetnek:

DI - Digital inputs - Digitális bemenőegység (pl. 8 vagy16 galvanikusan elválasztott 24VDC esetleg 230VAC bemenet) DO -Digital outputs - Digitális kimenőegység (pl. 8 vagy16 tranzisztoros, vagy relés kimenet) AI - Analog inputs - Analóg bemenőegység (pl. 8 darab anlóg bemenet szabványosított 0-20mA, 4-20mA áram, illetve 0-10V, -10/0/+10V feszültség jelekre, 8-10-12-14 bites AD átalakítókkal, a jobbaknál galvanikusan elválasztva) AO - Analog outputs - Analóg kimenőegység (pl. 8 drb analóg kimenet, a drágábakknál galvanikusan elválasztva) AOI - Analog inputs/outputs - Kombinált bővítőegység (az előzőekben leírtak különféle kombinációi) 123 / 159


Bemenőmodulok a hőmérsékletszenzorokhoz (Pt100, Pt1000, KTY, termopár-thermocouple) Pozicionálómodulok Szervo vagy léptető motorokkal (stepper motors) meghajtott eszközök, például szerszámgép vagy robotkar pozicionálására. A pozicióról az információt inkrementális vagy abszolut adótól fogadják. A pozicionáló algoritmust saját beépített mikroprocesszoruk révén valósítják meg, nem terhelve ezzel a közös CPU-t. Az intelligens perifériák kategóriájába taroznak Szabályozómodulok Szabályozási algoritmusok megvalósítására, mint amilyen például a PID szabályozó. A sok és gyors számolást igénylő algoritmust saját beépített mikroprocesszoruk révén valósítják meg, nem terhelve ezzel a CPU-t. Az intelligens perifériák kategóriájába taroznak. Hálózati modulok (AS-Interface, RS485, CAN, PROFIBUS, Industrial Ethernet. stb.) GSM és GPRS modul (SMS üzenetek fogadására/küldésére és csatlakozás az Internetre beépített GPRS modemon keresztül) WEB Server modulok A PLC készülék mint mini WEB szerver működik, saját IP címmel. A modulba beépített speciális mikrokontroller, a HTML-ben tárolt honlapot, a TCP/IP protokoll előírásai szerinti csomagok formájában tudja szolgáltatni a WEB böngészők számára. Pl. egy meteorológiai állomás egyszerűbb honlapját, az aktuális értékekkel (hőmérséklet, nyomás, relatív nedvesség, szélirány, szélsebesség). Ezek a modulokat a központi egységgel, speciális flet kábelel, vagy egy közös tartópanel segítségével lehet összekötni. A gyártók részletes útmutatást adnak a bővítések kivitelezéséhez. Megadják a makszimális bővítőegységek számát, valamint a csatlakoztatás módját. Az összeszereléshez általában csak egyszerű kéziszerszámok (vagy még az sem) szükségesek. 10.3.4 Kommunikáció a PLC-ék között A korszerű PLC készülékek hálózatba köthetők és kommunikálhatnak egymásközt. A gyártók sokfajta kommunikációs protokollt fejlesztettek ki.

10.3.4 A PLC-ék programozása Mint már utaltunk rá, hogy ha az irányítástechnikai feladatokat kész PLC készülékekkel (nem pedig csupasz mikrovezérlőkből kiindulva) oldjuk meg egy egész sor gondot leveszünk a válunkról. Ez nem csak abban nyilvánul meg, hogy nem kell nyomtatott áramköröket (panel) terveznünk és készítenünk (a PLC szerelése egyszerű kéziszerszámokkal is elvégezhető), hanem a programozás terén is könyebb a dolgunk. A PLC-ék, Assebly, Basic, Pascal vagy C nyelveken történő programozása nem terjedt el. Ehelyett PLC-ék programozására olyan szakmaorientált programnyelveket és programfordítókat fejlesztettek ki, amelyek még jobban kidomborítják az irányítástechnikai feladatokra való koncentrációt. Ezért felhasználói (applikatív) programot készítő szakembereknek (felhasználó) a PLC belső működéséről még kevesebbet kell hogy tudjanak. A PLC gyártók, a több száz (néha ezer is) oldalas leírásaikban, gyakran még azt sem említik (árulják el), hogy milyen típusú mikroprocesszor 124 / 159


vagy mikrokontroller működteti a készülékeiket. A memóriakapacitásokat pedig gyakran nem a megszokott kilóbájtokban adják meg, hanem azt specifikálják, hogy hány segédrelé (egybítes változó), analóg jel (bájt vagy dupla bájt), időrelé, komparátor, PI szabályozó stb. áll a felhasználó (programozó) rendelkezésére. A PLC-ék programozására szolgáló programnyelvek többnyire szabványosítva vannak (IEC 1131-3). Ezekről a programozási lehetőségekről már a (8.5 A vezérlési műveletek leírása) fejezetben részletesebben is szóltunk. Egy átlagos PLC a következő programnyelveken programozható: -STL STatement List – Utasításlista – német AnWeisungsListe (AWL) -FBD Function Block Diagram -Funkcionális blok diagram – német FUnktionsPlan (FUP) -LAD LAdder Diagram - Létra diagram - német KOntaktPlan (KOP) Extra programozási lehetőségek (csak némelyik PLC programozható így is): -Funkciótérképes leírás - Grafcet (IEC848) -Rövid és egyértelmű szöveg - Pseudocode – német Kurzklartext (hasonló mint a BASIC) -Egyéb fejlesztőbarát környezetek (pl. grafikus környezet gyerekek számára) A felhasználók körében talán a Ladder diagram a legközkedveltebb programozási mód. Régebben a relés technikával dolgozók jól megtanulták, a séma gyorsan követhető és olvasható. A klasszikus logikai ármkörökhöz (TTL) szokott szakemberek is szivesen ezt választják, pedig az ő számukra a Function Block Diagram lett kitalálva. Az iskolánkban a Siemens cég STEP7-MicroWin32 programozó és fejlesztőszoftverét használjuk. Ezzel a Simatic S-200 - as családba tarozó PLC-ék programozhatók, STL, FBD és LAD nyelvezetekkel. A program bármelyik formában fejleszthető. A fejlesztőkörnyezet át is tudja fordítani a programot egyik formából a másikba.

Ezenkívül az használjuk még a C-Control Station (Conrad Electronic) típusjelzésű PLC-t, valamint a Siemens cég LOGO! jelzésű PLC-jét. Mindkét típusból 5-5 készülék áll a diákok rendelkezésére. Ezek a legalacsonyabb kategóriába tartoznak, sokan csak feltételesen monják ki rájuk a PLC jelzőt.

125 / 159


10.3.5 C-Control Station típusjelzésű PLC bemutatása (Iskola 5 drb) Az Iskolában 5 darab ilyen készülék van. Ára 99 Euro (adó és egyéb járulékok nélkül). A gyakorlatok jelentős részét ezzel a készülékkel valósítjuk meg. Ezért a műszaki adatokat, valamint a programozást részletesebben is leírjuk. A készülékhez egy CD is jár. Ezen nem csak a programozásra szolgáló fejlesztőszoftver található, hanem műszaki leírások, példaprogramok és egyéb leírások. A fejlesztőszoftver ingyenes és letölthető az Internetről. Az Interneten a magyar nyelvű leírás is megtalálható, ami alapján a lenti útmutatót összeállítottuk. A C-Control Station PLC modul rugalmasan programozható és átprogramozható (pl. hőmérséklet szabályozás, redőny vezérlés, riasztó, lépcsőház világítás kapcsoló stb.). Tartalmaz egy egychipes számítógépet (mikrokontrollert), melyhez egy memória chip kapcsolódik a felhasználói programok tárolására. Az EEPROM a programot a tápfeszültség kikapcsolása után is megőrzi. A programozás PC-n keresztül, grafikus felület segítségével vagy a népszerű BASIC nyelven lehetséges. Műszaki adatok Tápfeszültség 230V/50Hz hálózati feszültség a belső stabilizált tápegységgel 16 és 17 kapcsokra, vagy stabilizált 12V-os hálózati egység a 7 és 8 kapcsokra. 6 programozható bidirekcionális digitális port. Ezek be- és kimenetként is használhatók, kapcsolási folyamatok vezérlése során. Logikai szintek: KI: 0...0,7V, BE: 4,3...5V. Kapcsok: 28...33, nevek: P1...P6. 4 programozható nyomógomb (F1, F2, F3, F4) 4 programozható LED (LED1, LED2, LED3, LED4) 2 relé 230V-ról működő készülékek közvetlen kapcsolására (záró, max. 6A tartós áram). Hálózati feszültségről működő készülékek kapcsolására szolgálnak. A tápfeszültség és a relé kapcsok közötti üres kapcsok a biztonságos távolság betartására vannak elhelyezve Hőmérséklet érzékelő portok A mikrokontroller A/D átalakítójára két AD 592 típusú hőérzékelőt lehet kötni, jelzésük T1 és T2. A belső elektronika külön-külön van az egyes érzékelőkhöz illesztve a pontos mérés érdekében. A csatlakoztatásnál ügyelni kell az összejelölő színkódra (ld. táblázat), valamint a polaritásra. Az AD 592 érzékelő egy hőfüggő áramgenerátor, 1uA/K érzékenységgel. A mérési tartomány -25...102,5 ºC között lineáris, felbontás 0,5 ºC. Az A/D átalakítás után a mirokontroller a -25 ºC hőmérsékletet 0 számként látja a 102,5 ºC pedig 255-nek. 18: T1A, 1-es szenzor, fekete kábel, fehér ér 19: T1B, 1-es szenzor, fekete kábel, barna ér 20: T2A, 2-es szenzor, szürke kábel, fehér ér 21: T2B, 2-es szenzor, szürke kábel, barna ér 4 programozható analóg port, feszültség mérésre (0...2,55V). Testpotenciálhoz viszonyított feszültség mérésekhez szolgálnak. A CControl-nak 8bites A/D átalakítója van, amely 0...255 közötti értékeket tud kiadni. A referencia feszültség 2,55V, ami a 255-ös átalakítási értéknek felel meg. Kapcsok: 23...26, nevek: A1...A4. Soros (RS23) interfész PC csatlakozáshoz. A modul programozásakor az 1-3 kapcsokra csatlakozik az interfész kábel. Adatátvitelhez a modul működés közben is ráköthető a PC-re. 1: Adat vétel vezeték (RX), az interfész kábel fehér ere 126 / 159


2: Jel föld vezeték (test, GND), az interfész kábel barna ere 3: Adat küldés vezeték (TX), az interfész kábel zöld ere DCF-77 rádióvezérlésű óra antenna csatlakozó Kívánság szerint DCF antennával szinkronizálható a modul (4-6 kapcsok). 4: Jel bemenet vezeték, ide jön az antenna null-aktív vezetéke 5: Jel föld vezeték (test, GND) 6: Stabilizált tápfeszültség (5V) a rendszerből az antennának Frekvenciamérő port (impulzusadók csatlakoztatására). A digitális pulzusok frekvenciája mérhető. A bemeneti jel lehet 0/5V-os digitális jel vagy a 34-es GND ponthoz képesti ciklikus kontaktus létesítés (pl. szélkerék) segítségével. A mérési tartomány 1%-os hibával kb. 30kHz-ig terjed. 35-ös kapocs Beépített piezo hangszóró. A hang frekvenciája és időtartama szabadon programozható. 10.3.6 C-Control grafikus programozása (FBD) Az itt használt programozási mód elsősorban kezdők számára és egyszerűbb programokhoz szolgál. A szoftvert a mellékelt CD-ről lehet installálni. Mivel a szoftver kezelés szemléletes, könnyen követhető, itt csak a legalapvetőbb ismereteket adjuk meg. Blokk-készlet Az ábra szemlélteti, hogy egyes blokkok értéket adnak ki, mások feldolgoznak, vagy tárolnak ill. az értéktől függő műveletet hajtanak végre. A CControl blokk-készlete: Be/kivitel - relék, gombok, LED-ek, hangjelzés kezelés Mérési eredmények - hőérzékelők, feszültségmérés, általános analóg portok kezelése Digitális portok - P1 - P6 port kapcsok kezelése Számítások - matematikai kapcsolatok és függvények Összehasonlítás - a művelet eredménye igaz ( = -1 ) vagy hamis ( = 0 ) lehet. Logika - bitenkénti összehasonlítás Boole-algebra szerint Idő - belső valósidejű óra (DCF77), valamint timer (időzítő) Változók - tároló blokkok Konstansok - állandó értékeket szolgáltató blokkok Adatrögzítés - adatok beírása az EEPROM chipbe Soros interfész - szöveg és adatok be- és kivitele a rendszer interfészen keresztül Program vezérlés - programfutást vezérlő funkcióblokkok 10.3.7 C-Control programozása BASIC-ben (CCBASIC) Bonyolultabb feladatokhoz vagy tapasztaltabb felhasználók számára lehetőség van BASIC programozásra (CCBASIC). Általános A Basic ún. forrásszöveg sorokból áll, melyek egy vagy több számolási vagy vezérlési utasítást tartalmaznak. A CCBASIC a C-Control számára kidolgozott Basic programvariáns. Szintaxisa nagyjából megfelel a standard nyelvének, de néhány parancs kifejezetten az itteni hardverhez illeszkedik. A végrehajtás a sorok egymás utáni sorrendje szerint történik. Minden programsor egy vagy több utasítást tartalmaz, melyek kettősponttal vannak elválasztva. A régebbi Basic-től eltérően sorszámozásra nincs szükség. Ha mégis adunk sorszámot, ezt ugró utasításhoz lehet használni. A 127 / 159


sorszámok nincsenek hatással a végrehajtás sorrendjére, az a sorok fizikai sorrendje szerint történik. A megértés könnyítésére kommentet (megjegyzés) lehet a programba írni. A CCBASIC-ben ezt aposztroffal ( ' ) kell kezdeni, ami jelzi, hogy a sor további része nem tartozik a programhoz. Azonosítók Betűkből és számokból állhatnak, és objektumokat, úgymint változók és konstansok, jelölhetnek. A címke nevek és az ún. fenntartott (rezervált) szavak. is azonosítók. A nagy- és kisbetűk között nincsen különbség. Az azonosító betűvel vagy aláhúzással kezdődhet, és szóközt nem tartalmazhat. Változók és konstansok Ezek az információ feldolgozás tárgyai. A CCBASIC-ben mindkettő numerikus érték, csak a konstans a program folyamán nem változik. A konstansokat a CCBASIC-ben decimális, hexadecimális és bináris alakban lehet megadni. Példa hexadecimális és bináris szintaxisra, 46-os szám: &H2E ill. &B101110. A változókra azonosítójukkal lehet hivatkozni, melyet az első használat előtt DEFINE sorral meg kell adni. Címkék A program adott pontjainak megjelölésére valók. Algoritmusban az ugró utasítás célpontját jelölik. A CCBASIC-ben a sor elején állnak, és kettős kereszttel kezdődnek, amit szóköz nélkül követ a címke (label) neve. Példa címkére és ugrásra: #label1 GOTO label1

Kifejezések Ezek vagy közvetlenül adhatók meg (változóként vagy konstansként), vagy egy meghatározott érték kiszámításával. Az utasítások részét képezik, és például amikor változónak értéket adunk, az egyenlőségjeltől jobbra állnak. Operandusok és operátorok kombinációjával állíthatók elő. Példák: 100 c a+b (ABS(x)-13)*10

Operandusok és operátorok Az operandus alapvetően konstans, változó vagy függvény hívás, de lehet maga is operandusok és operátorok segítségével összeállított kifejezés. Az operátorok számítási műveleteket jelentenek, melyeket a környező operandusokon kell végrehajtani. Meghatározott elsőbbségi sorrendjük van (precedencia), ld. később. Függvények Meghatározott műveletet, pl. számítást hajtanak végre, és eredményül egy számot adnak. Többnyire egy vagy több argumentumuk (függő változó) van, melyek kerek zárójelek között szerepelnek, és vesszővel vannak elválasztva. Az argumentum nélküli függvénynél nincs kerek zárójel. Példák: ABS(x) : MAX(a,b) :

RAND :

EOF

A CCBASIC-ben minden támogatott függvény előre definiált, azonosítójuk a fenntartott szavak közé tartozik. Értékadás Ez a legegyszerűbb utasításforma. Azon változó azonosítója után, melynek értéket akarunk adni, hozzárendelő egyenlőségjelet kell tenni, majd az értéket előállító kifejezés következik, vagyis egy egyszerű matematikai vagy logikai képlet. a = 10 :

b=x–y:

c = SQR (a*a + b*b):

LED4 = (not F2 or not F3) and not F4

Parancsok Az egyszerű értékadások mellett parancs hozzárendelések is vannak a CCBASIC-ben. Ezek fenntartott szóval kezdődnek. Egyesekhez egy vagy több paraméter is szükséges. A paramétereket a parancs azonosító és egy szóköz után lehet megadni, és vesszővel kell elválasztani. (Kivéve a Print [nyomtatás], ld. később.) Kerek zárójel nem kell hozzájuk! RANDOMIZE:

PAUSE 100:

BEEP 440, 50, 50

128 / 159


A progmafutást vezérlő utasítások Ezek a végrehajtás sorrendjét befolyásolják, az információ feldolgozó folyamat bemenő értékeitől függően. Nagy rugalmasságot biztosítanak az algoritmus készítésnél. Egy vagy több fenntartott szóból állnak, és egyéb adatokat is igényelhetnek. GOTO label1 IF a
Utasítások a fordítóprogramhoz A CCBASIC forrásszöveg a programutasítások mellett compiler (fordítási) utasításokat is tartalmazhat, pl. Adatblokkok (táblázat) készítésére, változók vagy konstansok definiálására. Egy sorban csak egy ilyen utasítás lehet, nem lehet kettősponttal elválasztva többet megadni. A DEFINE utasítás Ez egy compiler utasítás. Szimbolikus konstansok definiálása Áttekinthetőbbé teszi a programot, ha számokra való hivatkozás helyett jellemző neveket adunk, pl. if x <1234. helyett a névre hivatkozunk. Még jobb a konstansokat globálisként definiálni. Szimbolikus konstans definiálás: DEFINE azonosító érték Az érték decimális, hexadecimális vagy bináris szám lehet. A fenti példában: DEFINE limit 1234 if x < limit then goto alarm

Változók definiálása A CControl 24 bájtot biztosít RAM-jában a felhasználói program változói számára. Bitenként vagy 16bites egészként (szó) is használhatók. A standard Basic-től eltérően a CCBASIC-ben a program minden változóját definiálni kell az első használatbavételük előtt. Meg kell adni az adattípust (bit, bájt vagy szó (word)), valamint megadható a tárcella száma (bitnél kötelező megadni). A felhasználónak kell figyelni arra, hogy ne legyen átfedés a foglalások között, különben felülírások fordulhatnak elő. Például a bit[18], byte[2], word[1] egyidejű megadásával a 2-es cella egy részét közösen használnánk. Bit változó megadás: DEFINE azonosító BIT[szám] A szám 1-192 lehet (24 bájt egyenként 8 bittel). Bájt változó megadás cellaszámmal: DEFINE azonosító BYTE[szám] A szám 1-24 lehet (24 bájt). Egész változó megadás cellaszámmal: DEFINE azonosító WORD[szám]

A szám 1-12 lehet (1 szó = 2 bájt). Ha a bájt- és szó definiálásnál a cella (szám) megadás elmarad, a compiler végzi el a tár felosztását. Lehetőleg ne váltogassuk a bájt és szó megadásokat, mert ez rossz tárhely kihasználáshoz vezethet. További megadásoknál ismét ügyelni kell az átfedés elkerülésére. A compiler az 1-essel kezdi a hozzárendelést. Egy már korábban definiált változó azonosítót nem szabad másodszor is definiálni. Az Iskolában a következő beosztást használjuk (leggyakrabban): Egybites változók (Bit - Flag - Zászló - Merker) 16 darab DEFINE M1 BIT[1] DEFINE M2 BIT[2] ........ DEFINE M16 BIT[16]

' A 16 darab segédbít összesen csak 2 bájtot foglal el ' a 24 bájt RAM memóriából. A definiált nevek M1 – M16 ' de más neveket (azonosítókat) is használhatunk. ' A felvehető értékek ON vagy OFF

Nyolcbites változók (Byte - bájt - Merker Byte) 10 darab DEFINE MB1 BYTE[3] DEFINE MB2 BYTE[4] ........ DEFINE MB10 BYTE[12]

' Olyan belső változóként használhatjuk ' amelyeknek az értéktartománya 0 - 255 ' A definiált nevek MB1 – MB10, ' de más neveket (azonosítókat) is használhatunk

Tizenhatbites változók (Szó - Word - Merker Word) 6 darab DEFINE MW1 WORD[7] DEFINE MW2 WORD[8] ........

' Minden szó (word) két bájtot foglal el, ' amelyeknek az értéktartománya -327680 ---- +32767 ' A definiált nevek MW1 – MW6

DEFINE MW6 WORD[12] ' de más neveket (azonosítókat) is használhatunk

129 / 159


Digitális portok definiálása A CCBASIC-ben a portokra változóként kell hivatkozni. A portokat is előre definiálni kell. Egyes port definiálása: DEFINE azonosító PORT[szám]

A szám 1-16 lehet. A már ismertetett port kiosztás miatt többnyire a következő formájú definíciós blokkok adódnak: DEFINE P1 PORT[1] ' Bidirekcionális ki-bemenő portok. A mikrokontroller DEFINE P2 PORT[2] ' adott portjai, felhúzó ellenállásokon keresztül közvetlenül . ' ki vannak vezetve a sorkapcsokra, amelyeket DEFINE P6 PORT[6] ' P1 - P6 nevekkel definiáltunk DEFINE K1 PORT[7] ' Két programozható relés kimenet K1 és K2 DEFINE K2 PORT[8] ' OFF-ha nincs bekapcsolva, ON-ha be van kapcsolva DEFINE F1 PORT[9] ' A négy programozható nyomógomb a készülék előlapján . ' F1 F2 F3 és F4 DEFINE F4 PORT[12] ' OFF-ha megnyomjuk, ON ha nincs megnyomva (kontra!!!) DEFINE LED1 PORT[13] ' A négy programozható LED dióda a készülék előlapján . ' LED1 LED2 LED3 es LED4 DEFINE LED4 PORT[16] ' OFF-nem világít, ON-világít

Analóg portok definiálása DEFINE azonosító AD[szám]

A szám 1- 8 lehet. DEFINE A1 AD[1] . DEFINE A4 AD[4] DEFINE T1 AD[5] DEFINE T2 AD[6] DEFINE U1 AD[7] DEFINE U2 AD[8]

' Analóg portok (analóg bemenetek) A1 - A4 ' 8 bitesek, felbontás 0 tol 255 ' 0 megfelel 0 V -nak, 255 megfelel 2,55 V -nak ' T1 = 0 vagy T2 = 0 megfelel -25,0°C hőmérsékletnek ' T1 = 255 vagy T2 = 255 megfelel 102,5°C hőmérsékletnek ' Az egyenfeszültség 120 megfelel 12 V -nak ' A hálózati tápfeszültség 230VAC

Matematikai és logikai operátorok alapműveletek: + - * / modulo operátor: egész osztás maradékát adja Pl. a = 10 MOD 3 eredménye 1. összehasonlítások: >, <, >=, <=, =, <> (nem egyenlő) Az összehasonlítás eredménye -1 (nem 1! igaz) vagy 0 (nem igaz). Pl. a = 10 < 3 eredménye 0. logikai operátorok: NOT, AND, NAND, OR, NOR, XOR (negálás, és kapcsolat, és kapcs. + negálás, vagy kapcsolat, vagy kapcsolat negálással, kizáró vagy). A logikai operátorokat feltételek megadására valamint bináris bájt- és szómanipulációra lehet használni. eltolási operátorok: SHL, SHR Bit-minták bitenkénti balra- vagy jobbra tolására szolgálnak, bájt- vagy szó változóknál. Az operátortól balra áll az eltolandó érték, jobboldalt a szám, ahány bittel el kell tolni. A balra tolás 2-vel való szorzás, a jobbra tolás osztás. Pl. a = 10 shl 3 a = 10 * 2 * 2 * 2, az eredmény 80. Ügyeljen arra, hogy SHR aritmetikailag tol, vagyis előjellel! Pl. a = &B1000000000000000 SHR 1 eredménye (értékek binárisan) &B1100000000000000, és nem &B01000000000000000! Matematikai függvények és utasítások Az x és y argumentumok mindig kifejezések (ld. fentebb). SQR(x): x négyzetgyökének közelítése; a tizedesek le lesznek vágva. SGN(x): 1, ha x pozitív, -1, ha x negatív, 0, ha x=0. MAX(x,y): = x, ha x nagyobb, egyébként y. MIN(x,y): = x, ha x kisebb, egyébként y. RANDOMIZE x: x-szel kezdve belső pszeudo véletlen generátort indít. Ugyanazon számtól indítva ugyanazt a számsort kapjuk. A RANDOMIZE TIMER speciális forma a szabadonfutó időzítő (timer) aktuális értékét tölti be indításul a generátorba. 130 / 159


véletlen függvény a pszeudo véletlen generátor következő egész értékét szolgáltatja. A véletlen számok a multiplikatív eljárás és az azt követő modulo osztás szerint képződnek a mindenkori megelőző értékből (ld. egy jobb matematikai szakkönyvben). RAND

Operátorok és függvények precedenciája (rangsorrendje) A kifejezések a hagyományos műveleti rangsorrendben lesznek számítva, egyenrangú esetben pedig balról jobbra haladva. A sorrendet zárójelezéssel lehet módosítani. A CCBASIC-ben a zárójelezési mélység legfeljebb 6. Az áttekinthetőség érdekében javasoljuk a sok zárójel helyett inkább több programsor használatát. Precedencia a CCBASIC –ben: Rang Operátor 9 8 7 6 5 4 3 2 1

() függvényhívás negatív előjel * / MOD SHL SHR + > >= < <= = <> NOT AND NAND OR NOR XOR

A program futását vezérlő utasítások Ciklus FOR változó = kezdet TO vég STEP lépésnagyság . NEXT

A FOR-ciklus addig hajtatja végre a NEXT-ig szereplő utasításokat, míg a változó el nem éri a vége kifejezés értékét. Az első futtatás előtt a kezdet kifejezés értéke ki lesz számítva, és hozzárendelve a ciklusváltozóhoz. A ciklusváltozó minden lefutáskor a lépés értékével nő. A FOR változó = kezdet TO vég . NEXT

formánál a lépésnagyság 1. A zárókifejezés és a lépésnagyság kifejezés minden lefutáskor újra számítódik. A FOR ciklusok egymásba ágyazhatók, ennek mélységét csak a ciklusváltozó számára rendelkezésre álló memória korlátozza. A programfutás során minden FOR ciklus csak saját NEXT utasításával futhat (pl. nem lehet ugrással más NEXT-hez küldeni). Egy ilyen program ugyan lefordul és betöltődik, de az eredmény kétséges. Ügyelni kell a ciklusváltozónál és a zárókifejezésnél megengedett értéktartományra is (255), mivel ennek túllépésekor 0-ról indulhat újra, és végtelen ciklus állhat elő. Feltételes végrehajtás IF feltétel THEN utasítás 1

vagy IF feltétel THEN utasítás 1 ELSE utasítás 2

Az IF-THEN-ELSE szerkezet lehetővé teszi a programvégrehajtás illesztését a futás során előálló feltételekhez. Az első esetben a feltétel egy tetszőleges kifejezés; ha ennek értéke nem 0, a feltétel teljesültnek van tekintve, és az 1-es utasítás lesz végrehajtva. Ha ELSE-el egy második utasítást is hozzáfűzünk, akkor a feltétel kifejezés 0 értéke esetén a második utasítás lesz végrehajtva. Az IFTHEN-ELSE szerkezet egyetlen forrássorban kell álljon. THEN és ELSE után nem következhet utasításblokk (több utasítás). Ugró utasítás GOTO címke

A program tetszőleges, címkével jelölt helyétől lehet folytatni a futást. A cél a GOTO előtt és után egyaránt lehet. Szubrutin hívás és visszatérés GOSUB címke

131 / 159


Itt a címke a szubrutin kezdőpontja. Az ún. szubrutinokban programrészek vannak összefogva, melyeket a programfutás során többször ugyanúgy kell végrehajtani. Címkével kezdődik, majd az utasítások sorozata következik, végül a lezárás (RETURN). A RETURN után a program a GOSUB után következő utasítással folytatódik. Minden RETURN-höz egy megelőző GOSUB-nak kell tartozni. Szubrutin hívásnál az egymásba ágyazás megengedett legnagyobb mélysége 4. RETURN segítségével számértéket is vissza lehet adni a behívónak, így visszatérő vagy kiterjedtebb számításokat vagy státusz meghatározásokat be lehet skatulyázni egy szubfunkcióba. Értékvezérelt programelágazás ON változó GOTO címke0, címke1, ...címken ON változó GOSUB címke0, címke1, ...címken

A szelektáló változó értékétől függően programelágazás vagy szubrutin hívás következhet 0 értéknél a 0-ás címkéhez stb. ugorva. Ha a változó értéke negatív, vagy nagyobb a felsorolt ugrási célpontoknál, nem történik programelágazás. Program vége END

Ha a komputer a végrehajtás során egy END utasításhoz ér, a program végrehajtás befejeződik, a rendszer inaktív állapotba kerül. Ekkor újabb felhasználói program vihető át, vagy a Start gombbal újra lehet indítani a programot. Várakozási utasítás WAIT feltételkifejezés

Megszakítja a futást, amíg a feltétel kiszámítása nem adja ki a 0-tól különböző eredményt. Pl. define F1 port[9] WAIT F1

Itt addig tart a várakozás, míg a 9-es digitális portról (F1 gomb az állomáson) logikai 1-est nem olvas. A PAUSE parancs meghatározott időre állítja le a programot. A paraméter kifejezéssel 20ms-ot megszorozva kapjuk a várakozási időt, pl. a PAUSE 50

egy másodpercet jelent. A legnagyobb eltérés a valóságos szünetidő és a megadott érték között eszerint +/-20ms lehet. Kommunikáció a soros interfészen keresztül Adat kivitel Az adatok a CControl vezérlő soros interfészén át szöveges formában mennek ki. Ha ide interfész kábelen keresztül PC-t kötünk, amelynek terminál programja van, a kiadott adatok megjeleníthetők. A PRINT kifejezés

hatására átvitelre kerül a kifejezés kiszámított értéke. A PRINT "szöveg"

hatására megjelenik az idézőjelek közötti szöveg. Mindkét esetben soremelés jel adódik az átvitelhez, melynek hatására a terminál program új sorba írja a képernyőn a következő kimenő adatot. A soremelés úgy iktatható ki, hogy a Print parancsot követő kifejezés vagy szöveg végére pontosvesszőt teszünk, pl.: PRINT "szöveg";

A CCBASIC több adat kivitelét is támogatja egy Print parancs alatt. Az egyes paramétereket vesszővel vagy pontosvesszővel kell elválasztani. A vessző hatására tabulátor kerül a kimenő adatba, ami a képernyőn hosszabb szóközként jelenik meg. Ha két kimenő adatnak köz nélkül kell egymást követni, akkor a Print parancsban pontosvesszővel kell őket elválasztani: PRINT "A kulso homerseklet = ", T1:

PRINT "A belso homerseklet = "; T2

Egyetlen Print parancs paraméter nélkül soremelést eredményez. PRINT

Adat bevitel Az INPUT változó paranccsal egész értéket tud a soros interfész beolvasni, és további feldolgozásra eltárolni. Az értéket terminál programmal lehet PC-be vinni, és innen az enter megnyomása után 132 / 159


interfész kábelen át kerül a CControlba. Az Input parancs addig vár, amíg a terminál nem vett egy komplett adatátvitelt. Ha az Input parancsot rákövetkező adatátvitel nélkül hívjuk, a program végtelen időre ebben az állapotban marad, és csak resettel valamint újraindítással lehet ismét használni! Bájtsoros kommunikáció a soros interfészen A Print és Input rövid karaktersorozatokat továbbít ill. fogad. Kívánatos lehet egyes bájtokat sorosan átvinni. Erre szolgál a CCBASIC PUT és GET parancsa. A PUT kifejezés

a kifejezés kiszámított értékét küldi el. Szükség esetén a 0 - 255 bájt-értéktartományra redukálja. A GET változó

sorosan fogadott bájtra vár, és az értéket a megadott változókba tárolja. További interfész parancsok és funkciók Az Input és Get parancsok adott esetben vég nélkül várnak a soros adatra. Ha el akarjuk kerülni a program kiakadását, minden Input és Get előtt meg lehet vizsgálni az RXD státus függvény behívásával, hogy van-e továbbítandó adat. Ha van, a függvény értéke 1. Ha a puffer üres, az eredmény 0. If RXD then GET pc_tol

' Ha jött adat a soroson (RXD) fogadjuk, és a pc_tol -ben tároljuk

A soros interfész beállított adó- és vevő átviteli sebessége 9600 baud. Ezt a BAUD paranccsal meg lehet változtatni, a program által rögzített (1200, 2400, 4800, 9600) vagy egyéb értékre: BAUD R2400 hatására az adó és vevő 2400 bit/s-ra áll. Az adó és vevő sebessége nem kell azonos legyen. A soros interfész átviteli sebessége a CControl mikroprocesszor belső ütemadójából van származtatva. A további interfész paraméterek: 8 adatbit, paritásbit nincs, 1 stop bit - rögzítettek, nem változtathatók. Fájl használat Mérési eredményeket vagy egyéb adatokat rögzíthetünk, melyeket tápfeszültség kimaradás után vissza kell tölteni mint programváltozót. Erre a célra az EEPROM chipnek a felhasználói program után következő - többnyire nagyobbik része áll rendelkezésre. A memória tartomány fájlként lesz kezelve, mely a megfelelő attributummal való megnyitással írás és olvasás céljára hozzáférhető. OPEN# FOR WRITE OPEN# FOR APPEND OPEN# FOR READ

(megnyitás (felül)íráshoz, hozzáíráshoz, olvasáshoz). Csak egész értékeket lehet beírni vagy kiolvasni. Mindegyik érték két bájtot foglal az EEPROM-ban. Írás ill. olvasás parancsok: PRINT# kifejezés

(kifejezés eredményének tárolása) ill. INPUT# változó

(a változó a program definiált egész változója). A fájl beírása és kiolvasása szigorúan sorban történik. Ehhez egy belső fájlmutató értéke minden hozzáfordulás után 1-gyel meg lesz növelve. Beírás előtt mindig ellenőrizni kell, van-e elég hely a memóriában, a FILEFREE függvénnyel. Ez a szabad tár mennyiségét adja eredményül (szavakban). Olvasás előtt ellenőrizni kell, hogy van- e még rögzített adat, az EOF (end of file) függvénnyel. Ennek eredménye 1, ha nincs a fájlban több hozzáférhető adat, egyébként 0. A lekérdezésnek ugyanúgy keretbe kell foglalni az adatblokk kiolvasást. A fájlkezelés befejezése után a fájlt az adatok védelme miatt azonnal be kell zárni (CLOSE# parancs, paraméter nélküli). Portkezelő parancsok Átkapcsolás parancs (TOG) Elvileg a komputer portjaihoz változóként lehet hozzáférni. Digitális port be- ill. kikapcsolása: P=1 ill. P=0 vagy más: LED1 = ON: LED2 = OFF: K1 = ON stb. A be- ill. kikapcsolás váltogatása: P = NOT P vagy TOG P vagy más: LED1 = NOT LED1 vagy TOG LED1 A TOG (angol toggle-ból (váltogat)) kevesebb memóriát igényel, és gyorsabb. TOG-nál a P port változó csak egyes digitális portot jelenthet, nem bájt- vagy szó portot. Port deaktiválás (DEACT) 133 / 159


Amint egy port változóhoz első ízben értéket rendelünk, a komputer a processzorban a hozzátartozó hardver struktúrát (tranzisztorok) kimenet állapotba kapcsolja, tehát a csatlakoztatott áramkörnek megfelelően folyik az áram ki vagy be a processzornál (max. 10mA!). A DEACT portvar

parancs deaktiválja az adott portot, vagyis nagyimpedanciás állapotba teszi, így az bemenetként működhet. A PULSE parancs PULSE portvar

parancs hatására a kijelölt porton néhány ms-os pulzus megy ki. Ez hasznos lehet pl. külső élvezérelt logikai áramkörökhöz. Ha a parancsot megelőzően a port alacsony (LOW, 0) szinten van, High-pulzus (0-1-0) jön létre, egyébként low pulzus (1-0-1). Adattáblázatok definiálása és használata A standard Basic-ben a DATA sorok szolgálnak konstans adatblokkok készítésére, ahol az adatokhoz sorosan hozzá lehet férni. A CCBASIC nem támogatja a DATA sorokat, hanem más rugalmas lehetőséget kínál az adatblokk hozzáféréshez. A konstans adatokat táblázat formájában lehet eltenni. A táblázatok nevet kapnak, és annyi adat tehető be, amennyit csak enged a memória. A bevitelek (Cx) egészként lesznek letéve, és két bájtot foglalnak. Az adatok közvetlenül megjeleníthetők a forrásszövegben TABLE tablename C0 C1..Cn TABEND

vagy pedig a CCBASIC compilerrel importálható külső szövegfájlból TABLE tablename "tabfilename"

Az adattáblázat definícióknak a program végén kell lenni, az END parancs után, mivel az adatok közvetlenül az EEPROMban levő kódbájtok után következnek, és különben esetleg parancsnak is lehetne őket értelmezni. Adattáblázathoz való hozzáférés: LOOKTAB parancs. LOOKTAB táblázatnév, index, változó

A táblázatnév egy érvényes táblázat neve, az index tetszőleges kifejezés lehet, a változó pedig a memória cella, ahova az eredménynek kerülnie kell. Az index értéke nem lehet negatív, és max. N-1ig terjedhet, ha a táblázatnak N eleme van. Ha az index 0, C0 kerül a változóba, stb. A táblázatok különösen jól használhatók az A/D értékeknek fizikai mennyiségekké való alakításában. Az átváltó táblázatnak rendesen 256 eleme van. A mért A/D érték táblázat indexként szerepel a fizikai mennyiség meghatározásában. Hozzáférés a valósidejű órához A belső óra olvasásához és állításához szolgáló parancsok: YEAR év (0 - 99) MONTH hó (1 -12) DAY a hó napja (1 - 31) DOW a hét napja (0 = vasárnap, ... ,6 = szombat) HOUR óra (0 - 23) MINUTE perc (0 - 59) SECOND másodperc (0 - 59)

Figyelni kell arra, hogy a hozzáférés során az óra tovább fut, ezért először a másodpercet kell kiolvasni. Ha 59-en áll, a teljes kiolvasás (mikor már az év is megvan) után újra ellenőrizni kell, nem áll- e 0-n. Ebben az esetben a kiolvasást meg kell ismételni, mivel éppen egy perc váltásnál voltunk. (Ez tovább is gyűrűzhet, szélsőséges eset a Szilveszter-nap.) A CControl az évet csak két jeggyel tárolja, az 1999-2000 átmenet 99-0 átmenetet jelent. Timer A belső 20ms-os időzítőt az előre definiált TIMER azonosítóval lehet kiolvasni. Szabadonfutó, módosítani, visszaállítani nem lehet. Egyéb parancsok Hangjelzés utasítás (BEEP) A készülék piezo jeladójának megszólaltatása: 134 / 159


BEEP hang, thang, tszünet

A paraméterek konstansok vagy kifejezések lehetnek. A hang magasságát a hang=250000/frekv.(Hz)

képlet adja, thang a hangjelzés időtartama, tszünet a jelzés után következő szünet. Ha következő jelzést nem kívánunk, ennek értéke 0 lehet. Ha a jelzés hosszára adunk meg 0-t, folyamatos hangjelzést kapunk. A hanggenerátor bekapcsol, és folytatódik a Basic program feldolgozása. Ha a hang érték 0, a generátor kikapcsol. Frekvenciamérés (FREQ) A mérés 1s kapuidővel történő pulzusszámláláson alapul, és a háttérben zajlik, a Basic program futásával párhuzamosan. Lekérdezés: FREQ2 paranccsal. x = FREQ2

A mérési tartomány kb. 30kHz-ig terjed, 1% alatti hibával. Ha a DCF-77 bemenetre nincsen aktív antenna kötve, alternatívaként frekvencia mérésére használhatjuk. Az eredmény lekérdezésére szolgál a FREQ parancs. A mérési tartomány kb. 5kHz-ig terjed, 1% alatti hibával. Ez után az eredmény egyre pontatlanabb lesz. x = FREQ

Áramtakarékos üzemmód (SLOWMODE) Kisebb számítási igényű alkalmazásoknál a SLOWMODE ON

paranccsal a mikroprocesszor belső órája lelassítható (1/16). Ha a program során valahol mégis nagyobb sebesség kell, a SLOWMODE OFF

paranccsal visszatérhetünk a kiindulási helyzethez. Figyelem: soros adatátvitelt alkalmazó programoknál nem szabad a SLOWMODE-t aktiválni, mivel az adatátviteli sebesség a processzor órával együtt változik. A lassítás megnöveli az áramkimaradáskor akkuval áthidalható üzemidőt, mindazonáltal ennek akkor van értelme, ha a LED-ek és relék nincsenek bekapcsolva. Kompilálás, és leküldés A forrásszöveg bevitele után le kel fordítani a programot (Entwicklung/compilieren). Egy üzenő ablakban (Meldungen) követhető a fordítás folyamata, esetleg megjelenik a hibák listája. (fehlerfrei=hibátlan). Ezután áttölthetjük a programot a C-Control Station készülékbe. Feltétel, hogy a PC és a készülék RS232-es porton össze legyen kötve. Előtte a megfelelő COM portot kell kiválasztani és küldés előtt a C-Control Station készüléket a STOP gombbal le kell állítani. A leküldési parancs a menüből Entwicklung / In C-Control-Unit übertragen, vagy pedig az F12-es funkcionális gombbal lehetséges. A sikeres átvitel (betöltés) után a programat a készülékben a START gombbal indíthatjuk. Szimulálás A programot C-Control Station készülék nélkül, tehát csak a PC számítógépen is szimulálhatjuk. A program szimuláláshoz vissza kell kapcsolni a forrásszöveg ablakhoz, az üzenő ablak bezárásával vagy Ctrl+Tab-al. Megnyitjuk a C-Control Digitalports szimulátor ablakot a nézet (Ansicht) menüből. A grafikus módtól eltérően a BASIC program nem ad közvetlen képet a hardverről. A C-Control Digitalports ablakban ábrázolódik a 16 digitális port. A P1-6 kapcsokhoz kötődő 1-6 portok és az F1-4 fólia billentyűkhöz kapcsolódó 9-12 portok felhúzó ellenállásokkal vannak ellátva. A szimulátor ablakban a bemenetként használt portokat kapcsolgathatjuk. Miközben a shift gombot nyomva tartjuk az 1-6 és 9-12 LED-ekre kattint, úgy hogy ezek világos zöldek lesznek. Kattintsunk a jobb egérgombbal az ablakra, és a megjelenő menüből válasszuk a Als Anfangsstellung nach Reset Verwenden (Reset utáni kezdeti beállításként alkalmazni). Példaprogramok Példaprogramok és megvalósítások a készülékkel járó CD-én valamint a jegyzet végén a 11.6 Az Iskolában megvalósított példák fejezetben találhatók.

135 / 159


10.3.8 A Siemens LOGO! típusjelzésű PLC bemutatása (Iskola 5 drb) A úgynevezett micro automation (kisebb gépek és a háztartások automatizálása) témakörében az egyik legnépszerűbb PLC-nek nevezhető készülék a Siemens cég LOGO! –ja. Számos más cég is kinál hasonló kategoriájú, sőt a LOGO! –hoz megtévesztésig hasonló programozható készüléket. A készülék főbb műszaki adatai (Az Iskolában is használt LOGO!12/24RC típus): 1. Tápfeszültség: 12 vagy 24V DC (Kapcsok: L+ és M) 2. 8 digtális bemenet amelyből az I7 és I8 lehet analóg is. (Kapcsok: I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8) 3. 4 relés digitális kimenet. A relék érintkezői legtöbb 10A áramot kapcsolhatnak. (Kapcsok: Q1 Q2 Q3 és Q4 ) 4. Programozóinterfész. Speciális programozókábel csatlakoztatására (PLC-PC). A kábel PC felöli csatlakozója szabványos 9 tűs RS232-es. 5. Nyomógombok. A programozás a készüléken levő nyomógombokkal is lehetséges 6. LCD kijelző. Háttérmegvilágítással 4 x 12 karakter. Ha a készülék nyomógomjaival programozunk itt jelennek meg a funkcionális blokkok. Megjelenítési célokra pedig beprogramozhatjuk 7. Analóg bemenetek. Az I7 és I8 bemenetek analógként is használhatók (programozhatók) 8. Csatlakozó a bővítőmodulokhoz. Az alapkészülék 24 digitális bemenet és 16 kimenet, valamint 8 analóg bemenetet és 2 analóg kimenetet tud címezni 9. Integrált EEPROM a fontosabb adatok tárolására 10. A készülék DIN sínre szerelhető. Olyanra mint az autómata bisztosítékok

136 / 159


10.3.9 A Siemens LOGO! programozása (FBD, LADD) A Simens LOGO! kisautómatái a LOGO!soft Comfort kommerciális elnevezésű fejlesztőkörnyezettel programozhatók. A fejlesztőkörnyezet több nyelven (angol, német stb. de magyar nem) és több operációs rendszer (Windows, Linux) alatt is telepíthető. A teljes verzió licenszes és csak akkor juthatunk hozzá, ha LOGO! készülék mellé a fejlesztőszoftvert is megvásároljuk. Az Iskolában 5 licenszes példánnyal rendelkezünk, de csak iskolai célokra használhatjuk. A diákoknak csak a 60 napig működő démó verziót szabad odaadni. A programozás két módszerrel történhet. Az egyik a Ladder (LADD, német KOP) a másik pedig a funkciótérképes (FBD, német FBS) programozás. Mindkét szabványosított módszerről már a korábbiakban írtunk. A fejlesztőkörnyezet az egyik formát (bizonyos korlátozásokkal) át tudja fordítani a másik formába. A programozáskor (sémrajzolás) az elemeket sokkal szabadabban (szinte akárhová) el tudjuk helyezni. Azután a program működésdének, illetve egyéb szabályoknak a betartásával összekötjük őket. Ez a nagyobb mértékű programozói szabadság (ellentétben a klasszikus LADD Vagy FBD-vel) lehetővé teszi hogy gyönyörű és áttekinthető sémákat készítsünk. A kész vagy a fejlesztés alatt álló programot szimulálni is tudjuk. Forszírozhatjuk a bemenetek értékeit, és a monitoron követhetjük az időzítők, számlálók és a kimenetek értékeit. Amikor a programot befejeztük soros porton keresztül leküldjük a LOGO! készüléknek, ahol majd valóságosan is végrehajtódik.

137 / 159


10.4 A PC-ék alkalmazása az irányítástechnikában 10.4.1 PC alapú folyamatirányítás (PC-based Control) A PC számítógépek alapvetően nem irányítástechnikai feladatok ellátására szolgálnak. Ahhoz, hogy a PC-t valamilyen fizikai folyamattal (külvilággal) össze tudjuk kötni, olyan bővítőkártyákra van szükség amelyek ezt a feladatot el tudják látni. A bővítőkártyákat a PC szabad PCI-szlotjába lehet helyezni. Sok típusú és feladatot ellátó bővítőkártya kapható, de általában nem a PCárúsoknál, hanem a mérés és irányítástechnikával foglalkozó cégeknél (pl. Meilhaus Electronic GmbH http://www.meilhaus.com). Áruk is jóval magasabb a hasonló összetettségű komerciális bővítőkártyáktól (hangkártya, videókártya, hálózati kártya, TV-tuner stb.). Ezek a bővítőkártyák, általánoságban nézve a következők: - Digitális bemenőkártya (pl.16 galvanikusan elválasztott 24VDC bemenet egy kártyán) - Digitális kimenőkártya (pl. 16 tranzisztoros, vagy relés kimenet) - Analóg bemenőkártya (pl. 16 darab anlóg bemenet 4-20mA jelre, vagy Pt100 bekötésére stb.) - Analóg kimenőkártya (pl. 8 drb analóg kimenet, a drágábakknál galvanikusan elválasztva) - Kombinált bővítőkártyák (az előzőekben leírtak különféle kombinációi) - Hálózati kártyák. (RS485, CAN, PROFIBUS stb.) Valójában azt látjuk, hogy az így kapott rendszer olyan mint egy PLC, azzal hogy a CPU feladatát a PC számítógép végzi el. Az adott kártyákhoz drajverek, valamint különböző szofverkomponesek, felhasználói programok, sőt néha fejlesztőprogramok is járnak, vagy pedig külön beszerezhetők. Olyan eszközök is vannak, amelyek nem a PCI-szlotba helyezhetők, hanem USB-én csatlakoztathatók a számítógéphez. A csatlakoztatható eszköz tartalmazza az imént felsorolt funkciókat (digitális és analóg ki-bemenetek stb.) azonban a számítási műveleteket nem saját maga, hanem a PC végzi. Az eszköz USB-én keresztül elküldi a PC-nek a környzetből összegyűjtött adatokat (bináris és analóg bemenetek, pl. hőmérséklet, stb). A PC-én futó program ezeket az adatokat feldolgozza, és kiszámolja a kimenetek értékeit, amelyeket USB-én keresztül elküld az eszköznek. Ez a folyamat ciklikusan pl. minden 10ms-ban (másodpercenként 100-szor) megismétlődik, ami egy valós idejű irányítástechnikai feladat ellátását jelenti. Az Iskolában is rendelkezünk 5 drb ilyen eszközzel. A PMD1208LS típusjelzésű adatgyűjtő (data logger és osszciloszkóp) kompatibilis az USB 1.1 és USB 2.0 portokkal. Ára 135 Euro. További műszaki adatok: - 8 drb 12 bites analóg bemenet (közös GND), vagy 4 drb differenciális. Feszültségtartomány ±10V - 2 drb 10bites felbontású (1024) PWM típusú analóg kimenet. Feszültségtartomány 0-5V. - 16 (2x8) digitális I/O (bidirekcionális) csatlakozás. Mivel a portok terhelhetősége kicsi (2,5mA) a nagyobb fogyasztók kapcsolgatásához tranzisztoros és relés interfészre van szükség. - 1drb 32 bites külső eseményszámláló (gyorsszámláló). Maximális frekvencia 1MHz - A táplálás +5 V USB tápfeszültségen keresztül, külső táp nem szükséges. PC alapú folyamatirányítás (PC-based Control) első ránézésre kedvező szolúcióként hat, azonban komoly hátrányai is vannak. A PC alapú folyamatirányítás előnyei: - A programok futtatása, kezelése, csakúgy mint a felhasználói programok fejlesztése az ismert Windows (esetleg Linux) környezetben történik. - A PC számítógép nagy számolási (MIPS) képeségekkel rendelkezik. 138 / 159


- Nagyon sok általános célú fejlesztőszoftver áll a programozók rendelkezésére (Visual C#, VisualBasic, Visual C++, Delphi) - A mérés és irányítástechnikával foglalkozó cégek egész sor, az adott feladatokra dedikált fejlesztőszoftvert hoztak létre (LabVIEW, SoftWIRE, Visual Designer, WinAC, stb.). Az ezekhez való hozzájutás azonban körülményes és meglehetősen drága. - Az irányítástechnikai feladatok mellé egyszerűen integrálhatjuk a PC világából ismert lehetőségeket (Office programok, Internet, számítógépes hálózatok stb.) A PC alapú folyamatirányítás hátrányai: - A Windows operációs rendszer alapvetően nem irányítástechnikai feladatok ellátására lett tervezve. - A rendszer elindításához (bootolás, BIOS és a Windows betöltése) elég sok időre van szükség, ami sok alkalmazásnál elfogadhatatlan. - A Windows nem valós idejű operációs rendszer. A gépen egyidőben futó futó alkalmazások közti processzoridő beosztását nem fiksz időintervallumokban végzi (az irodai alkalmazásoknál ez nem jelent problémát, sőt előnynek számít). Ha egyszerre sok program fut a gépen előfordulhat, hogy az irányítástechnikai feladattal megbízott program végrehajtása a kritikus sebesség alá csökken. - Léteznek nem Windows alapú, hanem más valós idejű operációs rendszerek is, azonban ezeknek az alkalmzása drága, és elvszítjük az előzőekben felsorolt előnyök jelentős részét. - A rendszer bonyolultsága miatt, valamint a több egyidőben futó program következtében (de sok más ok miatt is) a rendszer időközönként összeomlik, más szóval nem eléggé stabil. - Az asztali (Desk Top) PC-ék nem elégítik ki az iparban támasztott bisztonsági előírásokat. Ezért úgynevezett ipari PC-számítógépeket használnak amelyek felépítésük tekintetében különböznek az asztali (Desk Top) PC-től. Ez nem csak szükséges mechanikai védelemre és robusztus kivitelre vonatkozik, hanem funkcionalitás tekintetében is külömbségek vannak. Áruk többszöröse az irodai PC-ék árának. - Sok applikációhoz (autó, mosógép stb.) egy PC alkalmazása nem felel meg (túl nagyok a méretei). 10.4.2 A PC-ék a felülbírálás, irányítás, adatgyűjtés és feldolgozás (SCADA) szerepében Mint az előző pontokban láttuk folymatok közvetlen irányítására a szakma inkább PLC-ket, mikroszámítógépeket és mikrovezérlőket használ, míg a PC-ék alkalmazásától vonakodik. A felülbírálás, irányítás, adatgyűjtés és feldolgozás (SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition) feladatait viszont az esetek túlnyomó többségében PC számítógépeken valósítják meg. A SCADA fogalmát az irányítástechnikai rendszer (vagy rendszerek) fölé rendelt egységként kell felfogni. Az irányításban csak koordináló szerepe van. Az adatok feldolgozását és elemzését pedig úgy kell felfogni mint egy utólagos műveletet, ami inkább későbbi célokat és döntéshozatalokat szolgál. Ha az adott PC a SCADA programjával nem működik attól még a folyamat nem szabadna hogy leálljon. Egy kissé bizarr hasonlattal élve: Ha a gyárigazgató elmegy szabadságra, attól még a jól szervezett cég nem fog összedőlni. Feltétel, hogy mindenki tudja és tegye a dolgát. Amikor a SCADA fogalmát említjük akkor inkább csak szoftverre gondolunk, ami valamilyen számítógépen fut (álltalában PC). A SCADA alkalmazások fejlesztésére és programozásra egész sor speciális programcsomag létezik (LabVIEW–National Instruments, SoftWIRE–SoftWIRE Technology 139 / 159


Inc. Visual Designer–Intelligent Instruments, SIMATIC WinAC és WinCC–Siemens stb.), de létrehozhatunk tetszetős alkamazásokat álltalános célú programnyelvek használatával is (Visual C#, VisualBasic, Visual C++, Delphi). Kisebb SCADA rendszereket mi is meg tudunk valósítani, amit jónéhány az Iskolánkban kivitelezett alkalmazás is bizonyít. Ezeknek a részletesebb leírása ezen jegyzet utolsó 11.6 fejezetében található. Ezek az alkalmazások a következő neveket kapták: Alarmrendszer, Pater Noster lift, Mosógépvezérlés, Bárpult, Motorreverzálás, Szemafor, Az erőnlét mérése, Hőmérsékletszabályozás. Diplomamunkaként további hasonló alkalmazások választhatók A hozzáértők ezeket az alkalmazásokat tanulmányozhatják, kiindulópontként használhatják, módosíthatják és továbbfejleszthetik. Meg lehet bírálni az irányítási feladatok felosztását a vezérlőeszközök között (pl. PC, PLC, mobil telefon). Például dolgozik e a bárpult, ha a PC lefagyott. Lehet e tovább számlázni, vagy azt már estleg manuálisan kell elvégezni stb. 10.4.3 PC alapú HMI (az ember és az irányítástechnikai rendszer kapcsolata) Még akkor is ha egy rendszert teljesen automatikusan irányítunk szükség lehet, és van is, egyfajta kapcsolatteremtésre az ember és a gép (pontosabban irányítástechnikai rendszer) között. Ezt a kapcsolatot a mai szaknyelv HMI-nek (Human Machine Interface) nevezi. A jelfeldolgozó az embertől is fogad utasításokat, amit parancsadásnak nevezünk. Fordítva pedig jelfeldolgozó az ember számára egyfajta prezentációval (bemutatással) szolgál. A parancsadásra használhatunk nyomógombokat, kapcsolókat, potenciómétereket, de ettől sokkal elegánsabb lehet a számítógép billentyűzete, vagy az egér. A folyamatot közvetlenül saját érzékszerveink utján is megfigyelhetjük, de használhatunk különböző prezentációs eszközöket is. Ilyenek a jelzőlámpák, hangjelzők (sziréna) a mutatós vagy digitális kijelzők, regisztrációs műszerek, de ettől sokkal elegánsabb lehet a számítógép monitora, esetleg a nyomtató. Mindennek a megvalósítására PC számítógépre és megfelelő programra (szoftverre) van szükségünk. Tehát mikor PC alapú HMI-i fogalmát használjuk szoftverre és hardverre is gondolunk. A HMI szoftvernek az előzőekben említett SCADA programnak az emberrel (felhasználóval) kapcsolatos része tekinthető. A szoftverfejlesztés eszközei is lényegében ugyanazok mint a SCADA esetében, csakúgy mint az Iskolában megvalósított példák. 10.4.4 Irányítástehnikai feladatok programozása konvencionális programnyelvekkel Általános célú (konvencionális) fejlesztőszoftvernek és programnyelveknek tekinthető a Visual C#, VisualBasic, Visual C++, Delphi stb. a Windows alkalmazásokhoz (mi Windows XP-ét használunk). Hasonló (vagy identikus) programnyelvek léteznek más operációs rendszerek (DOS, LINUX, UNIX) alatt futó programok fejlesztésére is. Ezek a programnyelvek nagymértékben szabványosítva vannak (pl. ANSI C), azonban az összetettebb és specifikus entitások (függvények, procedúrák, eljárások, osztályok, objektumok stb.) és felhasználások szabályait a fejlesztőszoftver gyártója határozza meg (diktálja). Mi az Iskolában a PC-én futó SCADA és közvetlen irányítástechnikai feladatokat Visual Basic 6-ban programozzuk. A szerző véleménye szerint ez középiskolai szinten egy nagyon elfogadható szolúció. Néhány alkalmazást azonban már Visual C# -ben fejlesztettünk, és a továbbiakban ezt szeretnénk használni. A Visual C# a Microsoft Visual Studio 2005 fejlesztőkörnyezet egyik programnyelve. A fejlesztőrendszer használatához, csakúgy mint a megírt programok futtatásához szükséges, hogy a számítógépen a Microsoft.NET Framework is telepítve legyen.

10.4.5 Irányítástehnikai feladatok programozása szakmaorientált fejlesztőkörnyzetekkel 140 / 159


A mérés és irányítástechnikával foglalkozó cégek egész sor, az adott feladatokra dedikált fejlesztőszoftvert hoztak létre: - LabVIEW – National Instruments - SoftWIRE – SoftWIRE Technology Inc. - Visual Designer – Intelligent Instruments - SIMATIC WinAC és WinCC – Siemens - RSView32 – Rockwell Automation Az ezekhez való hozzájutás azonban körülményes és meglehetősen drága. Ezeket a szoftvereket több szempontból is osztályozhatjuk: - A szoftverek egy része a virtuális műszerezést helyezi előtérbe, - A másik része viszont az irányítástechnikai feladatokat és a SCADA-rendszerek fejlesztését. Attól függően, hogy a fordítóprogram milyen kódot generál: - A létrehozott alkalmazásokhoz nincs szükség Run Time szoftverra. A lefordított alkalmazások közvetlenül a számítógép operációs rendszere (pl. Windows vagy Linux) alatt futnak. - A fejlesztőverzió álltal generált kód futtatása csak egy, a gyártó által írt speciális szoftver, közbeiktatásával lehetséges. Minden egyes alkalmazáshoz meg kell vásárolni a Run Time szofvert is. A Run Time szoftver természetesen nem csak a licenszdíj kikényszerítésére szolgál, hanem koordináló szerepe van, tartalmazza a szükséges rutinokat, amelyeket az applikációs programban csak meghívunk stb. A fejlesztés eszköztára szerinti felosztás: - A kódolást szöveges formában kell elvégezni (tiszta programkódírás, ma már ritkán alkalmazzák) - Nincs szöveges kódolás mindent grafikus úton lehet megoldani (nem kel kódot írni). A grafikus objekumokat (műszerek, szabályozók, vezérlők stb.) vonalakkal kötjük össze. - A kettő ötvözete (ez a leghatékonyabb) hasonlóan mint a Visual Studio. A SoftWIRE 60 napos lejáratú fejlesztőkörnyezettel mi is rendelkezünk. Az ez idő alatt készített alkalmazások nem korlátos idejűek és Run Time díjat sem kell fizetni. A lefordított alkalmazások közvetlenül Windows alatt futatthatók (nincs Run Time szoftver sem). A programcsomag és a bővítmények beépülnek a Visual Studio környezetbe. Két változat van: Visual Basic 6 - ra és Visual Studio.NET - re. Aki gyorsan tanul és dolgozik megpróbálhatja. A 60 nap lejárta után azonban már az alkalmazásunkat nem lehet módosítani, tehát az esetleges hibákat sem lehet kijavítani.

10.4.6 Az Internet alkalmazása az irányítástechnikában Az Internet kisebb kiterjedésű számítógépes hálózatok (LAN-ok) összekapcsolásából álló globális (világméretű) számítógépes rendszer „a hálózatok hálózata”. Az Internetre kötött számítógépek TCP/IP protokoll segítségével kommunikálnak egymással. A TCP/IP (és UDP/IP) protokollhalomra egész sor jólismert szolgáltatás épül, mint amilyen a WWW böngészők (HTTP protokoll), fájátvitel (FTP protololl), elektrónikus levelezés (SMTP) stb. de mi is készíthetünk alkalmazásokat közvetlenül a TCP/IP protokollra támaszkodva. (fakultatív) A WEB használata Az Interneten az információkat leggyakrabban (90%) a böngészők segítségével érjük el. A böngészők (ezek a kliensek) üzeneteket (kéréseket) küldenek a világ bármely pontján elhelyezett, internetre kötött, TCP/IP protokoll segítségével kommunikáló Web-szervereknek. Azok válaszul elküldik a szerveren, a Web lapokban tárolt, kért információt. Ez az információ természetesen származhat a környezetből is, pl. a környzet hőmérséklte, egyéb szenzorok állapota, vagy a webkamera által szolgáltatott kép. Ilyenmódon a világ bármely pontjáról megfigyelhetjük és felügyelhetjük az 141 / 159


irányított folymatot (fogyasztásmérők, italkimérők stb. leolvasása, esetleg a gyárigazgató hivatlaos útjai folyamán is ellenőrizni tudja a termelővonalak állapotát stb.) Az ilyen jellegű kommunikáció megvalósításához jelentős számítási teljesítmény kell (gyors processzor, nagy tárterület). A folyamatos fejlődés eredményeként ma már egy mikrovezérlő (speciális) is rendelkezik olyan teljesítménnyel, hogy egy Web szerver funkcióját meg tudja valósítani Az ilyen megoldások neve: mini Web szerver saját IP címmel, vagy beágyazott Web szerver. A korlátozott memóriaterület miatt a Web lapok egyszerűek kell hogy legyenek (kevés képpel) és a szolgáltatások mennyisége is korlátozott. A másik lehetséges megoldás extern Web szerver használata, amely szolgáltatja az adatokat és a Web lapokat a távoli számítógépek böngészői számára. A képen egy olyan megoldást látunk, amikor a lokális Ethernet hálózaton egy Web szerver működik, amely csatlakoztatva van az Internetre (például szélessávú ADSL, vagy telefonmodem). Erre a lokális hálózatra (LAN) csatlakoztatjuk azt a PC számítógépet is amely egy irányítástechnikai feladat megvalósításában a SCADA szerpét tölti be. Ehhez a számítógéphez több PLC, és egyéb mikrovezérlős eszköz csatlakozhat, például soros portokon (RS232, USB, RS485 stb.) keresztül. A Web szerver az úgynevezett CGI (Common Geteway Interface) interféjsz felhasználásával tud kommunikálni az extern programokkal, ebben az esetben az adatgyűjtő PC, SCADA programjával. A kapott információkat beépíti a Web lapba, amit kéréskor elküld a kliensnek. Ez utóbbi megoldás diplomamunkaként is megvalósítható, azonban mint látható a legegyszerűbb esetben is legalább három eszközre kell típusában is különböző programot megírni és azokat megfelelően összehangolni. (fakultatív) A TCP(UDP)/IP közvetlen használata

10.4.7 A smart eszközök (mobil telefon) alkalmazása az irányítástechnikában GSM = Global System for Mobile Communication (mobil kommunikációs világrendszer) több frekvenciasávon (max. 124 csatorna) időmultiplexelést (max. 8) végző csatornákat használ. Mindegyik csatorna duplex (kétirányú) és sávszélessége 200kHz. A vivőfrekvenciák nálunk az 1,8 GHz-es sávban (1710-1880 MHz) helyezkednek el. Más országokban a 850, 900, 1800, 1900 MHz frekvenciát használják. 142 / 159


Az országot lefedő rendszer bázisállomásokból áll, amelyeknek topográfiai elhelyezése a méhsejtekhez hasonlítható. Egymásba kapcsolódó hatszögek melynek középpontjába van a bázisállomás, amit celláknak nevezünk. A cellák (hatszögek) valójában egy-egy bázisállomás hatótávolságát ábrázolják. Egy bázisállomáson belül 124*8= 992 mobil lehet aktív. Mindegyik bázisállomás ugyanazokat a vivőfrekvenciát illetve csatornákat használja. A bázisálomások távolsága és az adók kisugárzott telyesítménye úgy van beállítva, hogy ne nagyon zavarják egymást. Bizonyos átfedésre azonban szükség van, mert csak így bisztosítható a mozgó felhasználókkal (pl. autóból telefonálók) való szünetmentes kapcsolat. Ezért az elméletileg egy bázisállomásra jutó 124*8= 992 aktív mobilszám bizonyos mértékig lecsökken. A bázisállomások vezetékes vagy rádiókapcsolatban állnak a központtal, az pedig a vezetékes telefonos hálózattal, és más mobilszolgáltatókkal. A kapcsolatok jelentős része egy bázisálomáson belül zajlik le (egy település lakói főleg egymásközt beszélgetnek). A rendszer figyeli az előfizetői mobil telefonok helyzetét. Mindenki egy adott körzetben van bejelentve, de ha ideiglenesen más helyen van azt a rendszer érzékeli. Ha ez az állapot hosszabb ideig tart (pl. valaki elköltözik az ország másik részébe) akkor ez az előfizetési tarifában is megnyilvánul. Az előfizetők azonosítására a mobil telefonba helyezhető SIM-kártyák szolgálnak (Subscriber Identity Module – Előfizetői Azonosító Kártya), amely tartalmazza a tulajdonos adatait (telefonszám, díjosztály, bolyongási határ stb.), valamint tárolhatjuk rajta a telefonkönyvünket, és a fogadott vagy küldött SMS üzeneteket. Mobil telefonnal rövid szöveges üzeneteket ún. SMS-eket (Short Message Service) is küldhetünk. A központ (SMSC - Short Message Service Center) felveszi a küldeményt, majd a GSM kapcsolóközpont segítségével, az megpróbálja a megcímzett mobilra elküldeni. Az SMS az üzeneten kívül tartalmazza még a küldés iőpontját, dátumot, a küldő telefonszámát stb. A mai mobil telefonok legtöbbje összeköthető (kommunikálni tud) a PC számítógéppel (vagy magával a mikrovezérlővel és a PLC-vel). Az összeköttetésekre használt jelenlegi interfészek (portok): RS232C, USB, Bluetooth, Infravörös, és a WLAN (az utolsó három drótnélküli). A mobil telefonnal történő kommunikáció szabályai (protokolljai) nagyjából szabványosítva vannak: AT Command Set AT Parancs típus

mobil: Siemens MC35i (RS232C interfész) Szabvány

Standard V.25ter AT Commands Standard modem parncsoak (telefon) AT Commands for FAX AT parancsok a faxolásra AT Commands for GSM AT parancsok a GSM hálózatnak AT commands for SMS AT parancsok az SMS-ekre GPRS AT commands AT parancsok a GPRS hálózatnak AT Commands for SIM Application Toolkit SIM kártya alkalmazások Siemens defined AT commands for enhanced functions

ITU-T (International Telecommunication Union) V.25ter document. AT+FCLASS Fax modem to a PC-based application ETSI (European Telecommunications Standards Institute) GSM 07.07 document ETSI (European Telecommunications Standards Institute) GSM 07.05 for SMS document GPRS MT (Mobile Termination, the Wireless Module) GSM 11.14 document A gyártó álltal definiált speciális parancsok. Ez esetben a Siemens.

Néhány parancs a sok közül amelyeket mi is használhatunk alkalmazásainkhoz: Text modus (1) vagy PDU modus (0) Ha szöveges formát küldünk és szövegeset is kapunk a mobiltól AT+CMGF=1 Könnyebb a dekódoló programot megírni, de nem mindegyik mobil támogatja A memóriahelyek (mem1 mem2 mem3) beállítása AT+CPMS="SM","SM","SM" Mind a SIM kártyára 143 / 159


Küldd el a SMS-t amelyik a 4. helyen van tárolva a SIM kártyán Például ha riasztórendszert szerkesztünk. Ha a mikrokontroller (vagy PLC) betörést vagy tüzet észlel, utasítja a mobilt az előre elkészített SMS elküldésére az adott számra. AT+CMSS=4 Parancs a mobilnak. +CMSS: 46 A válasz (nyugtázás) a a mobiltól OK

Kiolvassa az SMS-t a 7. helyről. A válaszból látható, hogy ezt az SMS-t már egyszer elolvastuk. AT+CMGR=7 Parancs a kiolvasásra +CMGL: 7,"REC READ","+381642091019",,"07/01/02,21:51:10+84" Boldog ujevet! +B10 Válasz a mobiltól. A PC számítógépen

ezt az üzenetet fogadjuk (pl. egy sztringben tároljuk), majd egy programot írunk a dekódoláshoz. Jó gyakorlat a sztringekkel való manipulációkra. A +B10 lehet egy parancs is. Például, hogy a számítógépről vezérelt Bárpult töltsön ki 1dcl bort egy pohárba, vagy kapcsolja be a központi fűtést a házban stb. Törli az SMS-t a 7. helyen AT+CMGD=7 Parancs a törlésre. Kilistázza az összes üzenetet a SIM kártyáról (max. 30) A parancsaban (idézőjelben) szereplő paraméter lehet még: "REC UNREAD" "REC READ" "STO UNSENT" "STO SENT" AT+CMGL="ALL" A paranacs.

A válasz a mobiltól ezuttal elég hosszú, és ezért nem közöljük.

Beirni ay üzenetet a SIM kártyára AT+CMGW= Ez protokol hivatalos leírásból van átmásolva. [,tooa/toda>[,stat>]] mc35i_atc_v0102a.pdf (a fájl neve) text is entered <ESC> aborts message.

Nem is olyan egyszerű megérteni (értelmezni).

A telefonkönyv kiolvasása 1 től 8-ig AT+CPBR=1,8 Parancs a kiolvasásra +CPBR: 1,"+38164789",145,"Korisn. servis" +CPBR: 2,"+3817",145,"Info Kredit" +CPBR: 3,"+3816471",145,"Voice Box" +CPBR: 4,"+381643226878",145,"Andi" +CPBR: 5,"+381642091019",145,"Kati" +CPBR: 6,"+38124571099",145,"Otthon" +CPBR: 7,"023815174",129,"Tata" OK

Válasz a mobiltól.

A fenti példákkal szemléltetett kivonatból (az AT parancsoknak csak egy töredéke) megállapítható, hogy a mobil-PC vagy a mobil-PLC kommunikáció igen érdekes programozói vállalkozás. Diplomamunkának igazi ínyencség. Néhány példát már meg is valósítottunk. Például a 144 / 159


Bárpult elnevezésű alkalmazás, ahol SMS segítségével italt vagy zeneszámot rendelhetünk. További érdekes példák: Riasztórendszer (itt a mobil a betörés vagy tűz észlelésekor SMS üzenetet küld néhány előre meghatározott számra). Az otthoni központi fűtés, redőnyök, világítás, melegvízelőkészítő (bojler), mosógép stb. irányítása és lekérdezése SMS üzenetek segítségével. A városokban és falvakban széthelyzett, ivóvizet szolgáltató kutak (pl. hidroforok) vezérlése és megfigyelése stb. A legújabb mobil telefonok Internet kapcsolat megteremtésére is alkalmasak (GPRS, vagy 3G), és egy PC-hez hasonló, de lényegesen gyengébb számítógép funkcióit is tartalmazzák (PDA). A PDA-án egy speciális, kis és hordozható eszközökre írt, operációs rendszer fut (Symbian, Windows Mobile), valamint néhány hasznos alkalmazás (WEB böngésző, E-mail, Pocket Office stb.). Mi is írhatunk különböző alkalmazásokat saját szükségleteinknek illetve ízlésünknek megfelelően. A Symbian-os smart (okos) eszközök esetében a programot, egy speciális fejlesztőkörnyezetben Java-ban kell megírni. A Windows Mobile operációs rendszer esetében a programot C# -ban írhatjuk, miközben a Microsoft VisualStudio.NET fejlesztőkörnyezetet használjuk. Ezek az alkalmazások lehetnek írányítástechnikai feladatokra is megírva.

145 / 159


11. Példák az irányítástechnikai rendszerekre Mint már a jegyzetben többször megemlítettük az irányítástechika ma már szinte az élet minden területén megjelenik. A teljeség igénye nélkül a továbbiakban bemutatunk néhány példát az élet és az ipar különböző területéről. A kiválasztott példáknál a szerző korábbi gyakorlatára (12 év a Severben és 12 év privát vállalkozásban) is támaszkodott. Az iskolában (főleg diplomamunkák) megvalósított példákat a jegyzet végére hagytuk. Bevezetőül egy egyszerű iskolapéldát mutatunk be a megvalósítás teljes leírásával.

146 / 159


11.1 Példák az elektroenergetika területéről 11.1.1 Az elektroenergetikai rendszer felügyelete Az elektroenergetikai rendszer erőművekből, villamos távvezetékekből, elosztóállomásokból és fogyasztókból áll. Az erőművekben a villamos energiát szinkron generátorok segítségével állítják elő, majd feltranszformálják (pl 20/220kV) és magas feszültségen (110, 220 és 400kV) szállítják a fogyasztói körzetekbe. A fogyasztói körzetekbe a feszültséget letranszformálják (pl. 220/20kV), legalább két fokozatban (és 20/04kV). Végülis alacsonyfeszültségen (0,4kV) szállítják a fogysztókig. Ez egy országot (vagy még annál is nagyobb) lefedő elektroenergetikai rendszert alkot, amelyet üzemeltetni, ellenőrizni és irányítani kell. A felügyeleti rendszer a kihelyzett mérőműszerek révén (áram, feszültség, fogyasztás, hőmérséklet stb. mérés, valamint kapcsolóeszközök ON/OFF állapota) összegyűjti az információkat a rendszerről vagy annak egyes objektumairól (pl. transzformátor elosztóállomás). A begyűjtött információk alapján az irányítóközpontban döntéseket hoznak és szükség esetén beavatkoznak a rendszer működésébe. Például lekapcsolnak egy transzformátort, átkonfigurálják az elosztóállomás kapcsolóit stb. Ez történhet autómatikusan, vagy a rendszert szemlélő diszpécser döntései alapján. Mivel az országot lefedő elektroenergetikai rendszer óriási (nagy számú objekum óriási számú készülékkel, nagy távolságokban széthelyezve) az irányítási rendszer is, több fizikailag és funkcionálisan jól elkülöníthető részre oszlik. Szinte a legszebb példa a disztribuált és hierarhikusan felépített irányítástechnikai rendszerekre. 147 / 159


11.1.2 A szinkron generátor autómatikus szinkronizálása a hálózattal Az elektronergetikai rendszerben (de akár egyetlen erőmű keretein belül is) több szinkron generátor üzemel párhuzamosan. A hálózat feszültség frekvenciáját (50Hz) a szinkron generátorok fordulatszáma szabja meg. Ha a szinkron generátor pólusszáma 2p=2, akkor a fordulatszám n=3000f/min kell hogy legyen (n = 60 * f / p). Egy rendszeren belül csak egy szinkron generátor szabályozhatja a frekvenciát, a többinek pedig követnie kell. Amikor a már üzemelő hálózathoz szeretnénk egy újabb szinkron generátort csatlakoztatni (bekapcsolni) az eljárás a következő: - Elindítjuk a szinkron generátort meghajtó gépet (víz vagy gőzturbina, diesel motor stb.) - A meghajógép üzemanyagellátását (gőz, víz stb.) úgy álltjuk be, hogy a fordulatszám akkora legyen, hogy a szinkron generátor kapcsain megközelítőleg 50Hz frekvenciát kapjunk. - A szinkron generátror gerjesztőáramát úgy kell beállítani, hogy kapcsain megjapjuk azt a feszültséget, amely a hálózatban is jelen van. - Mérjük a feszültségkülönbséget a szinkron generátor és a hálózat megfelelő fázisa között. Mivel a frekvenciák ( fSG és fH ) nem lehetnek tökéletesen egyformák a műszerrrel alacsonyfrekvenciás ( Δf = fSG - fH ) váltakozóáramot mérünk. Például: Δf = fSG - fH = 50,1 – 50 = 0,1 Hz. A feszültségkülönbség mérésére régebben közönséges izzószálas villanyégőket használtak. Kivárták a pillanatot amikor az égő nem világít, és gyorsan rákapcsolódtak a hálózatra. Az „autómatikának” az a feladata hogy a fent leírt procedúrasorozatot emberi beavatkozás nélkül is végrehajtsa. A képen a rendszer, illetve egy lehetséges megoldás funkcionális rajzát ábrázoltuk. Kézenfekvő, hogy a műveletek végrehajtására PLC-t, vagy mikrovezérlővel kivitelezett szinkronizálóeszközt használjunk. Ekkor a megfelelő procedúrasorozatot (lefutóvezérlést) programozás révén tudjuk megvalósítani. 11.1.3 A szinkron generátor szabályozása Miután a szinkron generátort szinkronizáltuk a hálózattal (párhuzamosan üzemel a többivel) további beavatkozásokra van lehetőségünk: - Ha növeljük a meghajtógép (turbina) üzemanyagellátást, a fordulatszám (ezzel együtt a frekvencia) nem fog megváltozni, mert azt a hálózat (egy másik szinkron generátor amelyik ezt a feladatot kapta) kényszeríti a rendszerre. Ehelyett a rendszerbe bevitt villamos energia (teljesítmény P[kW]) fog megnövekedni. - Ha a szinkron generátor gerjesztőáramát növeljük vagy csökkentjük, akkor nem a kapocsfeszültség fog megváltozni (erős hálózat) hanem a rendszerbe bevitt reaktív energia (meddő teljesítmény Q[kVAr] ). Ha a szinkron generátort túlgerjesztjük több reaktív energiát visz be a hálózatba. A szinkron gép (álltalában generátor) az egyetlen villamos gép, amely az aktív energián kívül reaktív energiát is tud termelni. Erre pedig nagy szükség van, mert a fogyasztók többsége induktív jellegű, azaz meddő energiát is igényel. A turbina üzemanyagadagolását speciális szabályozószelepek segítségével lehet megoldani, amelyeket segédmotorok (vagy más) működtetnek. Néha a turbina lapátjait mozgatják. A szinkron generátor gerjesztése (a gerjesztőtekercs mindig a forgórészen van), illetve egyenárammal való ellátás általában segédgenerátorok, vagy tirisztoros egyenirányítók segítségével történik. 11.1.4 További példák az erőművek és a szénbányák automatizálására

148 / 159


Miután a szinkron ge

11.2 Villamos hajtások autómatizálása A villamos hajtások (villamos gépek – generátorok, motorok) automatizálása egy külön szakmát képvisel, amelyet egyes ágázatokon külön tantárgyként szerepel. Ahhoz hogy a villamos hajtásokat autómatizálni tudjuk, először is ismerni kell a villamos gépeket, azután a villamos hajtások elméletét és megvalósítási technikáját. Az irányítástechnikán kívül széleskörű teljesítményelektrónikai ismeretkre is szükség van. 11.2.1 Villamos hajtások vezérlése Mindig amikor vezérlést említünk, nyílt hatásláncra kell gondolnunk.

149 / 159


11.2.2 Az egyenáramú motor fordulatszámszabályozása A villamos gépek közül talán az egyenáramú motorok fordulatszámát tudjuk legegyszerűbben szabályozni. Elegendő a motor armatúra (itt ez a rotor) feszültségét változtatni, máris változik (szinte a tápfeszültséggel egyenes arányban) a fordulatszám. A motorhoz táplálásához szükséges vátoztatható nagyságú egyenfeszültséget előállithatjuk egy tirisztoros egyenirányitóval (régebben erre egy másik gépet – egyenáramú generátort használtak). Hogy ez a tirisztoros egyenirányitó hogy működik arra a teljesiményelektronika szakág ad megoldást és magyarázatot. Mi most a tirisztoros egyenirányitót beavatkozószervnek fogjuk nevezni. A motor fordulatszámát xn egy tahogenerrátorral érzékeljük és visszavezetjük (visszacstoljuk) a fordulatszámszabályozóba. A bemenőjel wn (referens érték, kért fordulatszám) egy potencióméterröl érkezik. A fordulatszámszabályozó álltal létrehozott yn kimenőjel (rendelkezőjel) ezuttal nem közvetlenül a végrehejtószervet irányítja, hanem egy alárendelt szabályozó (ezuttal ez áramszabályozó) bemenőjelét (referens értékét) adja. Ezt már, kis túlzással, egy összetett szabályozásnak is nevezhetnénk. Az áramszabályozó bemenő jele tehát wi = yn a visszacsatolt pedig xi (az xi-t egy speciális transzduktoros áramtranszformátorral mérhetjük). Majd csak az áramszabályozó yi kimenő jele fogja a tirisztorsos egyeniraányitót vezérelni. Az áramszabályozónak a motor felfutásakor van nagy szerepe. A szabályozókat (két PI szabályozó) operációs (műveleti) erősitőkkel is felépithetjük.

150 / 159


11.2.3 Az aszinkron motor fordulatszámszabályozása Az 5.4.3. és a 6.2.2. pontok alatt már foglalkoztunk az aszinkron motorok fordulatszámszabályozásával. Mint említettük az aszinkron motor fordulatszámának a szabályozását a frekvencia és a kapocsfeszültség változtatásával tudjuk elérni. A fordulatszámszabályozó eszközök nagyteljesítményű diódákat (a képen az AC/DC blok) és IGBT tranzisztorokat (a képen az DC/AC blok) tartalmaznak. A vezérlőelektronika (CPU) pedig leginkább egy, e célra kifejlesztett és beprogramozott mikrovezérlő. A kezelőnek egy Operator Panel is a rendelkezésére áll, amely segítségével be tudja állítani a szükséges paramétereket. Ez a panel levehető, csak a beállításokhoz szükséges. A kivánt fordulatszámot külső potencióméter vagy feszültségjel (0-10VDC) segítségével tudjuk beállítani. A DIN0-DIN2 digitális bemenetekkel pedig startoljuk a motrot jobbra/balra illetve leállítjuk. esetleg más vezérlési kombinációkat valósíthatunk meg (legtöbb 23 = 8). A készülék RS485-ös soros porton (egy vonalra több eszköz is felfűzhető) is csatlakozhat a fölérendelt PLC (vagy PC) vezérlőkészülékhez. A kommunikációra a Siemens egy speciális, a motorok irányításához kifejlesztett kommunikációs protokollt használ (USS). A bemutatott készülék egyszerre csak az egyik opciót tartalmazza (Analog Variant vagy USS Variant). Ma már leggyakoribb a hálózatbakötés, külön bemenetekre nincs is szükség. A ferkvenciaváltóval irányított motorok lehetnek nyílt hatásláncúak (vezérlés), vagy zárt hatásláncúak (szabályozás). Ez utóbbiaknál a motor fordulatszámát mérik (leginkább inkrementális adóval) és visszavezetik a szabályozóba. A szabályozás felépítsének a tekintetében is különbségek vannak (U/f metódus, vektorszabályozás stb.). A kisebb teljesítményű (3kW-ig) frekvenciaváltókat monofázisú hálózatról táplálják (1AC 200V tól 240V ±10%, 50Hz), ám a kimenetükön mégis háromfázisú feszültséget adnak (maximum 3AC 240V). Ezért az ilyen frekvenciaváltókról táplált kis aszinkronmotrokat, amelyek egyébként csillagba vannak kötve amikor 3AC 400V feszültségről üzemelnek, át kell kötni háromszögbe. Így a fázistekercsek megkapják az elegendő feszültséget. A kimenő háromfázisú feszültség álltalában 10V tól 230V-ig változik. Majdnem ilyen arányban változik a kimenőfrekvencia is, például 0,1 től 50Hz-ig. Leginkább 230V-nál érjük el az 50Hz-et. Ezután a feszültség tovább nem növelhető. de a frekvencia igen, például 400Hz-ig. A nagyobb teljesítményű frekvenciaváltók háromfázisú feszültségről vannak táplálva, és ezért a kimenő háromfázisú feszültség is elérheti a 400V-ot. Ma már gyártanak frekvenciaváltókat 1MW-ot meghaladó motorteljesítményekre is. 151 / 159


11.3 Gépek autómatizálása 11.3.1 Szerszámgépek autómatizálása Az esztergapadok, gyalúgépek, marógépek, megmunkálóközpontok ma már automatikus működésűek. Az esztergapad esetében a főhajtás forgatja a megmunkálandó anyagot (vas, fa stb.). Ez egy nagyobb teljesítményű fordulatszámszabályozott villanymotor (régebben egyenáramú volt ma már inkább aszinkron). A kést (szerszámot) két szervomotor (segédhajtás) mozgatja X (jobbra, balra) és Y (előre, hátra) irányba. Ezeknek is lehet változtatni a fordulatszámát, azonkívül a fordulatszászabályozó fölé rendelt poziciószabályozással is rendelkeznek. E három önmagában is intelligensnek nevezhető egységet egy számítógép koordinálja, és vezeti a szerszámot, úgy hogy a megfelelő terméket kapjuk (például egy sakkfigura). A gyalúgépnél a szerszám mozog előre - hára, a megmunkált darab pedig áll. A marógépnél is a megmunkált darab áll, a szerszám (marófej) viszont forog. A megmunkálóközpontok több különböző művelet végrehajtására képesek (esztergálás, marás, csiszolás, fúrás, menetvágás stb.). Álltalában a megmunkált darab áll, esetleg elfordul jobbra balra. A szerszám forog és mozog is a megfelelő pályán (X, Y és Z tengely). A gép automatikusan előveszi a szükséges szerszámot a szerszámtartóbol és elvégzi a beprogramozott feladatot. A gépkezelőnek csak az a dolga hogy betegye a megmunkálatlan és kivegye a megmunkált darabot. Újabban ezeket a feladatokat is autómatizálják, robotkarokra (manipulátorokra) bizzák. Ezeknek a gépeknek a programozása már olyan magas szintre jutott, hogy elegendő ha megadjuk a megmunkálandó darab 3D-es (háromdimeziós) rajzát, és a PC (vagy más számítógép) ennek (és még néhány más adatnak) az alapján előállítja a megmunkálóközpont számítógépe számára a szükséges programot. 11.3.2 Produkciós vonalak autómatizálása A papír, műanygfóliák, acél és rézhuzalok, kábelek, stb, gyártása kontinuális (folyamatos) produkciós vonalakon történik. Ide sorolható még a nyomdagépek egy része, az acélhengerművek stb. Eleinte csak az összefüggő anyagok (pl. néhány kilóméter hosszú feltekercselt fólia, papír stb.) gyártást lehetett folyamatosan automatizálni, míg a megállást követelő műveletek (csomagolás, palacktöltés stb,) folyamatos és automatikus elvégzése nehézségekbe ütközött. A kalsszikus produkciós vonalak esetében a gyártott anyag (fólia, papír, kábel stb.) folyamatosan és összefüggően halad előre és eközben több megmunkálási folyamaton esik át. A megmunkáló eszközök általában hengerek, amelyek például préselik vagy nyújtják az anyagot, nyomtatnak rájuk, melegítik stb. A kábelek estében több letekercselőröl is jön az anyag (pl. szigetelt vezeték), ezeket a gép összefonja, és az eksztrúderek ráviszik a szigetelőanyagot. Ezután a kábelt hűteni kell (pl. vízteknőn fut kersztül) és legvégül feltekercselik. Az ilyen gyártóvonalaknak a hossza a száz métert is meghaladhatja. Az anyag előrehaladását, és a megmunkáló eszközök meghajtását több villanymotor biztosítja. Mivel ezek a hajtások a gyártott anyagon keresztül valamiféle (erősebb vagy gyengébb) mechanikai kapcsolatban állnak, egymással szinkronizált módon kell hogy működjenek. Egy kiválasztott hajtás 152 / 159


(például tirisztoros szabályozóval táplált egyenáramú motor) kell hogy diktálja a produkciós vonal sebességét. A többiek követik, és más elveken vannak szabályozva. Ez lehet fordulatszámarányszabályozás, például az eksztrúderhajtás estében, vagy húzóerőszabályozás, hurokszabályozás stb. Az ilyen rendszereket többmotoros hajtásoknak is nevezzük (több szabályozási kör együttműködése – összetett szabályozás). Ezenkívül egy ilyen produkciós vonalon több vezérlési feladatot is meg kell oldani, mint amilyen a gép(ek) elindítása, leállítása a hibák és az üzemmmódok kezelése stb. 11.3.3 Ipari robotok Az ipari robotok legmarkánsabb képviselője a robotkar. Főbb részei: váz, mozgatók (meghajtás), és az érzékelők. A vázszerkezet két összetevője a karok (kinematikai tagok) és az őket összekötő ízületek (kinematikai kényszerek). A robotkar szabadságfoka az ízületek számával egyenlő. Ízületkből kétfajtát ismerünk: A forgó- és a csúszó ízületet. Az első típus jele R (rotáció), a másodiké T (transzláció). Ha a robot talapzatától kiindulva az ízületek sorrendjét leírjuk - pl. RRTR - a robotkar felépítését kapjuk. A képen pl. egy. RRRR robotkar látható. A világpiacon ma az ipari robotoknak 6 szabadságfokig szinte minden variációja fellelhető. A robotkarok végére kerül felszerelésre az az eszköz (szerszám), aminek a mozgatása a feladat. A mozgatott (applikációs) eszköz leggyakrabban egy megfogó-, fúró-, festő- vagy hegesztőkészülék. A megfogó eszközök (és persze a robotkarok) terhelhetősége a grammoktól (SMD alkatrészek) több száz kilógramig (kamionváz elemek) terjed. Fontos alapfogalom a TCP (Tool Center Point), az a pont a készüléken, ami a "0-pont", a mozgatás programozásakor, ellenőrzéskor és minden méretezéskor a kiindulási pont. A robotkart minden izületben meg kell hajtani. Tehát ahány ízület (szabadságfok), annyi hajtás. A hajtások leggyakraban villanymotorok (aszinkron, egyenáramú, léptetőmotor), vagy pedig pnematikus és hidraulikus munkahengerek. Ezenkívül a hordozott szerszám is rendelkezik valamilyen meghajtással. Minden izülethez tartozik egy endkóder (inkrementális, de jóbb az abszolutadó) a pozició pontos meghatározásra. A robotkart egy vagy több mikrokontrolerrel felszerlt elektromos berendezés irányítja, amely még kommunikál a főlérendelt PC számítógéppel. A felhasználószintű programozás álltalában úgy történik hogy a robotkart végigvezetjük a megfelelő pályán (pontokon). Mindegyik pontnak egy táblázatban megjegyezzük a helyzetét. A táblázat több sorból áll (ezek a programlépések). Mindegyik sorban fel van írva az a csuklók pontos elfordulási szöge (az endkóderektől kapott információ). A táblázat valójában tartalmazza a programlépéseket és az izületek referens értékeit (elfordulási szögek). Ezenkívül megadhatjuk az egyes programlépések közötti időszüneteket (időtervvezérlés) vagy pedig a következő programlépést valamilyen szenzor álltal érzékelt esemény váltja ki (lefutóvezérlés). Az ilyen robotokat ismétlőrobotoknak vagy manipulátoroknak nevezik. Az „intelligens” robotok már többre képesek, például a beépített érzékelők révén felismerhetik a megfogandó tárgy szinét vagy alakját, és attól függően szortírozzák a termékeket, vagy eltávolítják a hibás árút.

153 / 159


Egyazon robotszerkezet (pl, robotkar) azzal hogy újraprogramozható, de méginkább mechanikai szerkezetéből kifolyólag különböző munkafolymatok ellátásra alkalmazható. Ezért nem kell minden egyes mukafolyamathoz külön gépet szerkeszteni vagy vásárolni.

11.4 Ipari folyamatok autómatizálása 11.4.1 Példa – Vegyipar 11.4.2 Példa – Tejüzem vagy üdítő keverő és töltő 11.4.3 Példa – Cukorcentrifúga

10.5 Ipari hűtőberendezések autómatizálása 11.5.1 Példa – Szárító, füstölő és hűtőkamra autómatizálása

11.5.2 Irodaházak központi klimatizálása

154 / 159


11.6 Az Iskolában megvalósított példák 11.6.1 Alarmrendszer

11.6.2 Pater Noster lift

11.6.3 Mosógépvezérlés

155 / 159


11.6.4 Bárpult

11.6.5 Motorreverzálás

156 / 159


11.6.6 Szemafor A szemaforok jelzőlámpáinak az irányítását legegyszerűbben időtervvezérléssel valósíthatjuk meg. Például a képen látható útkerszteződére egy táblázatban felírjuk a menetrendet, és az szerint fogjuk szemeforprogramot elkészíteni. Mi előláttunk még két nyomógombot az üzemmód kiválasztásra is: -Nappali üzemmód. A időintervallumokat saját tapasztalatunk és belátásunk szerint programoztuk be. -Éjszakai üzemmód. Itt a ciklusidő kétszerese a nappalinak. De lehetne más is. -Nyúlüzem. A nyulak gyorsan közlekednek, ezért a ciklusidő itt a legrövidebb -Csak sárga. Miden sárga szinű jelzőlámpa egyszerre villog (pl. másodpercenként) -Csak piros. Néha (ha nagy baj van) jó ha csak a piros lámpák világítanak. -Szervisz üzemmód. Minden szemaforlámopa be van kapcsolva. Rögtön észrevehetjük ha valamelyik meghibásodott A szemaforvezérlést egy AT89S8252 (Atmel) típusu mikrokontrollerre bíztuk. A modell működhet az Iskola fejlesztőrendszerén. A fejlesztőlapopnon LED diódákat kapcsoégatunk. Van olyan diplomamunka is, ahol önnálló készülék lett tervezve, amelynek fedőlapján szabályos útkeresztedődédnek megfelelően vannnak elhelyezve a szines (piros, sárga, zöld) LED diódák A valódi és a korszerű szemaforvezérlés az iskolában megvalósított példánál jóval bonyolultabb. Például ellenőrizni kell a szemaforlámpák állapotát, és ha valamelyik kiégett a törvényben előírt üzemmódra kell váltani. Ezt az ellenörzést áramtranszformátorok segítségével lehet elvégezni. Ezenkívül a hatályos törvényes előírások nem a szemaforlámpák ciklusidejét rögzítik, hanem annál 157 / 159


sokkal körmönfontabban fogalmaznak, és a szemaforvezérlőnek kell kiszámítania a ciklusidőket az útkereszteződés konfigurációjának, méreteinek és egyéb eseményeknek megfelelően. 11.6.7 Az erőnlét mérése

11.6.8 Hőmérsékletszabályozás

11.7 Befejző kommnetár az irányítástechnika alalmazásáról A példákkal is próbáltuk érzékeltetni, hogy a korszerű irányítástechnika ma már szinte az élet minden területén jelen van. 158 / 159


A példákból azt is észrevehetjük, hogy egy irányítástechnikai szakember nem támaszkodhat kizárólag irányítástechnikai ismeretekre, főleg nem csak programozásra stb. Ahhoz hogy a problémát megoldja, magát a folyamatot is ismernie kell. Észrevehettük hogy minden egyes alkalmazás egy külön eset, pontosabban egy külön mesét igényel. Eleinte jó ha csak egy szűkebb problémával foglalkozunk (például mikrovezérlők vagy PLC-ék programozása), és ezen keresztül megismerjük a rendszer többi elemét is. Sok gyakorlaton keresztül (tervezés, kiépítés, és üzembehelyezéseken való részvétel) különböző alkalmazásokat (gépeket, termelővonalakat, gyárakat stb.) és más profilú szakembereket ismerhetünk meg. Csak ezután számíthatunk arra, hogy olyan rendszertervező válhat belőlünk, aki majd koordinálni tudja a többi specialista munkáját.

159 / 159

NAGY Sándor dipl.ing. AZ IRÁNYÍTÁSTECHNIKA ALAPJAI

Recommend Documents