No title

Ladislav Šmejkal

PLC

a automatizace 2. díl

Sekvenèní logické systémy a základy fuzzy logiky

Ladislav Šmejkal

PLC A AUTOMATIZACE 2. díl – Sekvenèní logické systémy a základy fuzzy logiky Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnožována jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm nebo jiný postup), zadána do informaèního systému nebo pøenášena v jiné formì èi jinými prostøedky. Autor a nakladatelství nepøejímají záruku za správnost tištìných materiálù. Pøedkládané informace jsou zveøejnìny bez ohledu na pøípadné patenty tøetích osob. Nároky na odškodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny. Veškerá práva vyhrazena. © Ing. Ladislav Šmejkal, 2005 Nakladatelství BEN – technická literatura, Vìšínova 5, Praha 10 Šmejkal Ladislav: PLC a automatizace, 2. díl BEN – technická literatura, Praha 2005 1. vydání ISBN 80-7300-087-3

Podrobný obsah

1

Doporuèení ke studiu

2

Systémy, funkce a algoritmy – poznámky k terminologii a souvislostem

3

Sekvenèní logické funkce a systémy

4

Smíšené systémy – logické øadièe s èíslicovými promìnnými

5

Minimum o fuzzy logice

6

Závìr

Obsah 1

DOPORUÈENÍ KE STUDIU ............................................... 9

2

SYSTÉMY, FUNKCE A ALGORITMY – POZNÁMKY K TERMINOLOGII A SOUVISLOSTEM ........................... 13

3

SEKVENÈNÍ LOGICKÉ FUNKCE A SYSTÉMY .............. 21

3.1 3.2 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5

Ke kombinaèním funkcím .................................................................... 22 Význam sekvenèních funkcí ................................................................ 23 Mechanizmy sekvenèního chování programu ..................................... 27 Zpracování historických vzorkù – vstupní pamìti ................................ 27 Zpìtné vazby ....................................................................................... 31 Standardní pamìové funkce s sekvenèní funkèní bloky .................... 33 Podmínìné pøíkazy .............................................................................. 38 Smìr bìhu programu a toku mezivýsledkù – souslednost a protislednost ................................................................. 38 Intuitivní postupy .................................................................................. 41 Systematické postupy .......................................................................... 60 Kombinaèní automaty .......................................................................... 60 Automaty se vstupní pamìtí ................................................................ 71 Stavové automaty Mealyho a Mooreova typu ..................................... 76

3.4 3.5 3.5.1 3.5.2 3.5.3

4

SM͊ENÉ SYSTÉMY – LOGICKÉ ØADIÈE S ÈÍSLICOVÝMI PROMÌNNÝMI ..................................... 89

4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.2.6 4.2.7 4.2.8 4.2.9 4.2.10 4.2.11 4.3 4.3.1 4.3.2

Smíšený systém s jedním vstupem ..................................................... 96 Nìkolik pøíkladù ................................................................................... 96 Termy a urèení jejich pravdivostí ......................................................... 97 Èísla intervalù ...................................................................................... 98 Aktivita programu ................................................................................. 99 Vícehodnotová logická promìnná ..................................................... 102 Pøekrývající se intervaly, dvojznaèné rozhraní ................................... 104 Pøechody se setrvaènou hysterezí ..................................................... 105 Pøechody s èasovým zpoždìním ....................................................... 107 Prodloužení intervalu aktivace ........................................................... 108 Pøechody s dopøednou hysterezí ....................................................... 109 Pøíklady vyhodnocení teploty ............................................................. 111 Jednoduché nespojité regulátory ....................................................... 112 Minimum o teorii a praxi regulace ...................................................... 112 Dvoustavový regulátor, termostat ...................................................... 117

4

Šmejkal: PLC a automatizace díl II. – BEN technická literatura

4.3.3 4.3.4 4.3.5 4.3.6 4.3.7 4.3.8 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3

Tøístavové regulátory ......................................................................... 119 Vícestavové regulátory, regulace jednotek fan coil ............................ 123 Pøevodní charakteristika regulátoru ................................................... 126 Regulátory s pøepínáním .................................................................... 128 Aktivace programu regulátorù ............................................................ 131 Impulzní výstupy nespojitých regulátorù ............................................ 133 Smíšený systém s dvìma a více vstupy ............................................ 133 Motivace ............................................................................................. 133 Systémy se dvìma vstupy ................................................................. 133 Úplnost souboru pravidel a „logické díry“ .......................................... 144

5

MINIMUM O FUZZY LOGICE ......................................... 147

5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.3 5.3.1 5.3.2 5.4 5.5 5.6 5.6.1 5.6.2 5.6.3 5.6.4 5.6.5 5.7 5.8 5.9

Dùvody pro použití fuzzy logiky ......................................................... 148 Shrnutí a souvislosti ........................................................................... 151 Dvouhodnotová logika ....................................................................... 151 Booleova a jiné algebry ...................................................................... 152 Binární logika a množiny .................................................................... 153 Vícehodnotová a fuzzy logika, fuzzy množiny ................................... 153 Dva motivaèní pøíklady ....................................................................... 157 Fuzzy zobecnìní logických výrazù .................................................... 157 Fuzzy zobecnìní smíšeného systému ............................................... 159 Typický postup a struktura fuzzy systému ......................................... 161 Fuzzifikace ......................................................................................... 164 Fuzzy zobecnìní AND, OR, NOT ...................................................... 165 Nekoneènì mnoho možností ............................................................. 165 Fuzzy negace ..................................................................................... 165 Fuzzy AND a OR ................................................................................ 166 Zobecnìné funkce a úpravy výrazù ................................................... 171 Pøíklady zápisu programu .................................................................. 172 Defuzzifikace ...................................................................................... 175 Pøevodní charakteristiky, charakteristické plochy, ladìní ................... 177 Sekvenèní a systémy ve fuzzy logice ................................................ 192

6

ZÁVÌR ............................................................................ 199 LITERATURA ................................................................. 200 REJSTØÍK ...................................................................... 202 INZERCE ........................................................................ 205 KONTAKTY NA PRODEJNY TECHNICKÉ LITERATURY ............................................ 208 Šmejkal: PLC a automatizace díl II. – BEN technická literatura

5

Pøedmluva Vážení ètenáøi,

po dlouhé prodlevì (za kterou se omlouvám) vychází druhý díl uèebnice PLC a automatizace, s podtitulem sekvenèní logické systémy a základy fuzzy logiky. První díl seznamoval se základy techniky programovatelných automatù (PLC – Programmable Logic Controllers) v širším kontextu soudobé automatizace. Vysvìtloval základy jejich programování a algoritmizace úloh logického typu. Pøevážná èást výkladu pojednávala o kombinaèních logických funkcích, jejichž výstup jednoznaènì závisí na okamžité kombinaci jejich vstupních promìnných. Závìreèná kapitola velmi struènì pojednávala o realizaci pamìových èlenù a jednoduchých sekvenèních funkcí a popisovala instrukce èítaèù a èasovaèù. V technických aplikacích se ale sekvenèní funkce vyskytují velmi èasto, nìkdy výhradnì. Proto je jim vìnováno první z témat této publikace, popsané v kapitole 3. Po vysvìtlení základních pojmù a pøíèin sekvenèního chování programem realizovaných funkcí jsou shrnuty nejèastìji používané pøístupy k realizaci logických funkcí. Výklad je zamìøen pøedevším na systematické postupy jejich realizace s využitím grafického aparátu koneèných automatù a jazyka SFC (Seguential Function Chart) pro názorný popis zadání i detailního algoritmu programové realizace. Na rozdíl od tradièních uèebnic navrhování logických systémù zde již není uvedena tradièní metodika dekompozice koneèného automatu na sí logických èlenù kombinaèního typu pro budicí funkce pamìových èlenù. Tento postup byl pro svou komplikovanost témìø nepoužitelný i pøi navrhování systémù s pevnou logikou a pro programování je zcela zbyteèný. Nyní staèí komplexnì popsat zadání celého logického systému (sekvenèního øadièe) ve formì uceleného algoritmu koneèného automatu. K jeho realizaci pak mùže programátor využít postup, který mu nejvíce vyhovuje nebo je nejsnáze dostupný, napø. naprogramovat jej jako graf v jazyce SFC, pøevést na posloupnost podmínìných pøíkazù nebo realizovat s využitím strukturovaných datových blokù. Lze najít urèité podobnosti mezi rùznými typy algoritmù sekvenèních systémù (koneèných automatù) a èíslicovými systémy (v praxi pøevážnì lineárními – èíslicovými regulátory, filtry, modely). Uvádíme je zde bez podrobnìjšího výkladu, pouze pro ilustraci a k pochopení souvislostí. Podrobnìji se jimi bude zabývat pøipravovaný další díl publikace. Fuzzy logika je známa již nìkolik desetiletí, bylo o ní napsáno mnoho publikací, monografií a uèebnic, ale v „širší programátorské obci“ je stále témìø neznámá a málo aplikována – ke škodì tvùrcù, dodavatelù i uživatelù automatizovaných systémù. Dùvod vidím v nedostateèné osvìtì a neexistenci pøístupné metodiky aplikací. Cílem páté kapitoly této publikace (možná nerealisticky smìlým) je zpøístupnit fuzzy logiku širokému okruhu programátorù PLC i programátorùm jiných systémù (PC, prùmyslových poèítaèù a mikroøadièù), aby se stala základním prostøedkem jejich práce a zpùsobem jejich tvùrèího myšlení. Fuzzy logika je zde chápána jako pøirozené zobecnìní principù dvouhodnotové (booleovské) logiky, která je v praxi rutinnì vyžívána a bez problémù vyuèována na støedních školách. Vìøím, že podobnì lze uèit a používat i základní principy fuzzy logiky. Uvìdomuji si, že se zde dopouštím „brutálního“ zjednodušení a tematického zúžení. Èiním tak v dobré víøe, že tím usnadním prùnik fuzzy logiky do rutinní programátorské praxe a do prùmyslových aplika-

6

Šmejkal: PLC a automatizace díl II. – BEN technická literatura

cí. Ostatnì tradiènì vyuèovaná metodika navrhování logických systémù je také hrubým zjednodušením nároèného oboru matematické logiky a teorie koneèných automatù. Ve vìtšinì pøíkladù aplikací fuzzy systémù jsou v uèebnicích popisovány situace, kdy jsou logickým systémem ve fuzzy logice (inferenèním jádrem) zpracovávány spojité vstupní velièiny (èasto regulaèní odchylka a její zmìna u fuzzy regulátoru PI, teplota a intenzita vibrací ložiska apod.). Zpracování spojitých velièin v logickém systému ale není výsadou fuzzy logiky. Bìžnì a dávno se používá i u binárních logických systémù – jen se o nìm mlèí. Systémùm tohoto typu je proto vìnována ètvrtá kapitola. Zde je pro tuto tøídu systémù zavedeno pojmenování smíšený logický systém. V aplikacích jsou stále èastìjší. Souvisí to upøednostòováním snímaèù analogových velièin (polohy, teploty, hladiny, tlaku), namísto dosavadního používání snímaèù jednotlivých hodnot sledované velièiny (napø. koncových snímaèù nebo snímaèù pøiblížení nebo snímaèù prahových hodnot jiných velièin (hladiny, tlaku apod.). Ve ètvrté kapitole je popsána podstata smíšeného systému, která je pøi popisu fuzzy systémù jen nenásilnì zobecnìna. Souèasnì je zde zavedena èeská terminologie, shodná i pro fuzzy systémy. Jsou uvedeny pøíklady rùzných pøíkladù øešení programu pro smíšené systémy ve dvouhodnotové logice. Zde je øešen problém ošetøení pøechodù na ostrých hranicích intervalù hodnot vyhodnocované velièiny a omezení neklidu (náhodného kmitání) v chování systémù (obvykle hysterezí, pásmem necitlivosti, èasovou filtrací apod.). Smíšené systémy s binární logikou lze interpretovat i jako vícehodnotové logické systémy, tj. logické systémy, které využívají vícehodnotovou logiku. Ta je opìt zobecnìním dvouhodnotové logiky a zvláštním pøípadem fuzzy logiky. Tato interpretace dovoluje i obecnìjší pohled na fuzzy systémy. Vícehodnotové logické systémy jsou v literatuøe opomíjeny, ale v praxi se jeví jako velmi pøínosné. Druhá kapitola má charakter úvodních poznámek k terminologii a k použitelnosti jednotlivých typù systémù. Pøi psaní uèebnice jsem narážel na problém, jak najít rovnováhu mezi „suchým“ teoretickým výkladem a ilustrativními pøíklady, pøípadnì použitelnými „prefabrikáty programù“. Dalším problémem je zajistit urèitou „nadfiremnost“ – nezávislost na firmì autora a jí vyrábìných systémech. Øešením je použití programovacích jazykù podle normy IEC/EN 61131-3, kterou již akceptuje vìtšina významných výrobcù PLC. Problém je ale v tom, že samotný výklad zásad této normy, popis syntaxe a sémantiky jejich jazykù by si vyžádal samostatnou a pomìrnì rozsáhlou publikaci a zpùsobil by další zdržení. Proto jsme zvolili kompromisní øešení. Programování podle normy IEC/EN 61131 (její èásti 3 pro základní jazyky a èásti 7 pro jazyk fuzzy systémù) bude vìnován další díl této uèebnice. V tomto druhém dílu jsou algoritmy popisovány bez detailního popisu normy – spíše abstraktnì, na úrovni logických výrazù, obvykle v syntaxi pøíkazù vyšších programovacích jazykù, shodné se syntaxí jazyka strukturovaného textu (ST) podle normy IEC/EN 6113-3. Tam, kde bylo potøebné uvést pøíklady postupù v jazyku mnemokódù, byl použit tradièní jazyk systémù Tecomat, který byl popsán a používán již v prvním dílu uèebnice. Nadstandardním øešením je možnost využití domovské internetové stránky této knihy (viz tiráž) nebo na stránce mého zamìstnavatele Teco a. s.: www.tecomat.cz. Zde lze najít další øešené pøíklady programù rùzné složitosti a z rùzných aplikaèních oborù. Pøíklady zde budou postupnì doplòovány. Tištìný Šmejkal: PLC a automatizace díl II. – BEN technická literatura

7

text uèebnice tak není zatížen pøemírou pøíkladù – zájemce si je mùže snadno stáhnout. Pro usnadnìní práce pøi procvièování pøíkladù z uèebnice, jsou jejich zdrojové texty rovnìž umístìny na uvedené adrese. Postupnì zde budou doplòovány i zadání cvièných úloh a jejich úspìšná øešení. Ke zpìtné vazbì nabízím svou adresu pro e-maily [email protected] a vìøím, že budu schopen vèas reagovat na dotazy a námìty ètenáøù. Rád bych podìkoval Ing. Lubošovi Urbanovi za vygenerování a vytištìní grafù pravdivostí základních funkcí fuzzy logiky v systému Matlab a Ing. Filipu Šibravovi za naprogramování a zdokumentování ilustrativních pøíkladù fuzzy systémù ve stejném systému. Ètenáøùm pøeji pohodu pøi studiu knihy a tvoøivou hravost pøi ovìøování pøíkladù a pøi øešení úloh. Vìøím, že v knize naleznou inspiraci pro výuku nebo pro svou programátorskou praxi. Ladislav Šmejkal, [email protected]

V Praze 26. 11. 2005

8

Šmejkal: PLC a automatizace díl II. – BEN technická literatura