21. Řídící systémy v automatizaci

Transkript

1 21. Řídící systémy v automatizaci Řídící systémy (ŘS) jsou elektronická zařízení určená k řízení strojů nebo výroby (výrobních procesů) pracují podle určitého programu, který je uložen v paměti a je cyklicky (opakovaně, pořád dokola) prováděn procesorem (změny funkce řídícího systému se dosáhne změnou programu v paměti) procesor v reálném čase zpracovává vstupní signály a podle nich nastavuje výstupní signály (důležitá je rychlost reakce na vstup) Schéma umístění ŘS Rozdělení řídících systémů Vstupy řídícího systému jsou povely obsluhy (operátora) vč. zavedení programu (naprogramování) snímače, koncové spínače, scannery, kamery - poskytují informace o stavu stroje nebo procesu (zpětnou vazbu) Výstupy řídícího systému jsou informace o průběhu řízení pro zobrazení na operátorském panelu signály pro ovládací prvky (spínače, frekvenční měniče, zesilovače) akčních členů (pohonů) Osobní počítač PC = personal computer - je kompatibilní (slučitelný) s platformou Microsoft+Intel (Wintel) je primárně určen pro všeobecné kancelářské použití - obsluha s ním pracuje interaktivně, aplikace nejsou časově kritické Schéma hardware Vrstvy software Hardware Části PC: 1 case skříň s plechovou konstrukcí pro uchycení součástí PC, také základní jednotka, velikost je dána typem MB Mechatronika - Řídící systémy - ot.11 - Strana 1 z 5

2 provedení: stolní (desktop, tower), přenosný notebook, tablet 2 MB motherboard = základní deska - různé velikosti - standard ATX 3 CPU 4 chipset 5 RAM, ROM 6 grafická karta procesor - x86 kompatibilní - vykonává instrukce programu (strojový kód), má určitou vnitřní stavbu (architekturu) dělí se podle velikosti zpracovávané informace (8-64bitové), frekvence v GHz, má vyrovnávací paměť (cache), napojuje se na MB do patice (typ konektoru), chladí se chladičem s větrákem Výrobci: Intel - řada Core i3-i7, AMD čipová sada - integrované obvody pro komunikaci procesoru s ostatními prvky, napojenými přes sběrnice (bus), rozděluje se na tzv. můstky RAM - operační paměť pro prováděné programy a aktuální data, vyžaduje napájení (po vypnutí PC ztrácí obsah), parametry - kapacita v GB, frekvence ve stovkách MHz ROM - nevyžaduje napájení - flash - paměť pro BIOS 7 další karty 8 SATA 9 USB 10 ostatní porty napojená do slotu (typ konektoru) na sběrnici PCI-Express (dříve AGP), bývá integrovaná do CPU nebo MB, slouží pro připojení LCD monitoru - rozhraní analogové VGA nebo digitální DVI, také HDMI, DisplayPort (+ zvuk) pracuje v různých režimech rozlišení (počet bodů na šířku a výšku - např. HD 1920x1080), frekvence zobrazování na sběrnici PCI-Express (dříve PCI) - např. síťová (Ethernet pro LAN - lokální drátovou síť - kabely = kroucené dvoulinky), zvuková sběrnice pro vnější paměťová zařízení (dříve IDE) - magnetické HDD (hard disky), flash SSD, optické mechaniky DVD, Blu-Ray univerzální sériová sběrnice pro periferie (vstupní a výstupní zařízení - klávesnici, myš, tiskárnu, scanner, kameru) a externí paměti - flash disky PS/2 pro klávesnici, myš (dříve), 3,5 mm jacky pro reproduktory, mikrofon dříve sériový port COM pro komunikaci se speciálními zařízeními, LPT - paralelní port 11 zdroj PSU - zajišťuje napájení, chladí se ventilátorem, výkon ve stovkách W Software Vrstvy software (odpovídají pořadí zavádění po spuštění PC): BIOS OS aplikace Vlastnosti Výhody: základní systémový software (firmware) pro inicializaci (počáteční nastavení) hardwaru a zavedení OS, je uložen v paměti flash, nastavuje se programem Setup operační systém (8-64bitová verze) - zajišťuje hlavně uživatelské rozhraní (GUI - grafické, dříve textové - příkazový řádek) pro spouštění aplikací a správu dat na vnějších pamětech (soubory, složky) Microsoft Windows XP, Vista, 7, Server typ UNIX - Linux (open source - dostupný programový kód), Mac OS X komerční (textové a tabulkové editory, databáze, prezentace), grafické editory, prohlížeče, komunikace, antiviry,... freeware - software zadarmo velká rozšířenost, jsou levná díky hromadné výrobě, univerzálnost (z hlediska řízení je to nevýhoda) standardní uživatelské prostředí (OS Windows) - vysoký uživatelský komfort (použití často jako vzdálené operátorské rozhraní) Mechatronika - Řídící systémy - ot.11 - Strana 2 z 5

3 Nevýhody (z hlediska řízení v průmyslových podmínkách): nespolehlivost - malá odolnost vůči rušení, prachu, vibracím (malá robustnost) nemá vhodné průmyslové vstupy/výstupy OS MS Windows není určen k řízení v reálném čase není zaručena rychlá odezva na vnější události (multitasking - více spuštěných programů najednou - jeden program může "zdržovat" druhý) složitější údržba (nelze vyměnit součásti za chodu - hot swap) nemožnost vestavby do průmyslových skříní (rozvaděčů - tzv. racků) Průmyslový počítač IPC, IC = industrial PC - PC přizpůsobené pro průmyslové použití Je odolný (robustní, "heavy duty") vůči nárazům a vibracím, elektromagnetickému rušení (kryt), nízkým a vyšším teplotám, předpoklad chodu 24 hod. denně Má vyšší stupeň krytí, který udává odolnost zařízení proti vniknutí cizího tělesa (i prachu) nebo vniknutí kapalin Hardware: základní jednotka monitor membránová klávesnice Další vlastnosti: Použití vestavuje se do průmyslových policových systémů (skříní, rozvaděčů) - většinou 19" racků, také vestavba do strojů - např. řídící panel CNC má více vstupů a výstupů než PC (ale méně než PA) - např. konektory pro průmyslovou sběrnici, výkonnější zdroj může mít omezený přístup k některým částem počítače - zamykatelné kryty také existuje přenosné provedení ve formě notebooku v kovovém kufříku - použití v terénu - také pro armádu, hasiče, policii odolný proti tekutinám, vibracím, často má dotykový displej, případně může být místo monitoru jen informativní displej provedení panelové PC - v jedné skříni je monitor a zároveň základní jednotka kvůli zabránění průniku nečistot, tekutin (příp. bez klávesnice) operátorské panely např. u CNC strojů, sběr dat v průmyslovém prostředí, servery (z hlediska řízení mají stejné nevýhody jako PC) Výrobci Teco Kolín, AutoCont Ostrava, Siemens Jednodeskové minipočítače počítače na desce plošných spojů o velikosti přibližně platební karty (single board computers) možnost rozšíření vstupů a výstupů nasunutím dalších desek (shields) do připravených konektorů operační systém typu Linux - programovat je lze přes PC nebo přímo - běžné programovací jazyky C, Python Použití - přes vstupy zpracování hodnot tlačítek, snímačů polohy, teploty, světla, přes výstupy ovládání světel, serv, krokových motorů Hlavní zástupci - Arduino, Raspberry Pi Raspberry Pi - schéma částí Mechatronika - Řídící systémy - ot.11 - Strana 3 z 5

4 21.4. Jednočipové mikropočítače 1 mikroprocesor + grafický procesor + operační paměť 2 IO = vstupy/výstupy 3 stálá paměť (karta) 4,5 USB, LAN 6 výstupy obraz, zvuk 7 napájení jsou počítače v podobě integrovaného obvodu (čipu) mají podobu obdélníkového pouzdra s kontakty ("nožkami") - tzv. piny také se říká mikrokontroléry (MC, MCU, µc), mikrořadiče, mikročipy vlastnosti - kompaktnost, spolehlivost, jednoduchost, malé rozměry, nízká spotřeba, nízká cena Použití pro řízení elektrozařízení formou vestavěných systémů (viz dále) Schéma jednočipového mikropočítače 1 mikroprocesor 4, 8, 16 a 32-bitový 2 paměti flash pro program a operační pro data (RAM) - velikost ve stovkách kb 3 oscilátor hodiny - zdroj taktovacího signálu pro řízení mikroprocesoru - piezokrystal 4 I/O porty 5 obslužný panel Další části: čítače časovače watchdog Činnost: vstupně/výstupní rozhraní - bývá jich podle potřeby i více než 100 a) vstupy (inputs) - pro signály z tlačítek, snímačů, mohou obsahovat i A/D převodníky b) výstupy (outputs) - pro signály akčním členům, světelnou a zvukovou signalizaci, mohou mít i D/A převodníky c) sběrnice - pro napojení obslužného panelu - klávesnice, displeje a) zobrazovací jednotka výstupních informací (displej) b) tlačítka nebo klávesnice pro ovládání obsluhou, vstup dat funkce pro počítání událostí (např. přerušení optického paprsku - počítání výrobků na pásu) funkce pro generování časových prodlev - "budík" "hlídací pes" - ochrana proti zaseknutí mikropočítače, v pravidelných intervalech vyžaduje od procesoru signál, že program běží, pokud signál nedostane, resetuje mikropočítač a program běží od začátku Pracují podle jediného programu, který je prováděn cyklicky (dokola) - zpracovává vstupy a nastavuje výstupy Programují se pomocí PC propojeného s deskou obsahující na plošném spoji mikropočítač a rozšiřující paměti (tzv. vývojový systém) Programovací jazyk bývá strojový kód, assembler, jazyk C Mechatronika - Řídící systémy - ot.11 - Strana 4 z 5

5 Mechatronika - Řídící systémy - ot.11 - Strana 5 z 5 Výrobci - Intel, Microchip, Atmel Vestavěné systémy (Embedded systems) jsou zařízení, která mají v sobě zabudovaný řídící počítač - je součástí elektroniky zařízení jsou optimalizované pro dané zařízení ("ušité na míru") využívají se jednočipové nebo jednodeskové počítače, zákaznické integrované obvody Požadavky - často spolehlivý nepřetržitý provoz (24/7), autodiagnostika poruch, malá spotřeba, dálková správa, odolnost proti virům Použití - inteligentní elektronické výrobky vyráběné ve velkých sériích - chytré mobily, přehrávače, domácí elektrospotřebiče, periferie PC, dopravní technika (autopilot), zabezpečovací zařízení Budoucnost - Internet věcí (IoT = Internet of Things) - inteligentní (smart) zařízení připojená do počítačové sítě (zejm. bezdrátově) s možností jejich komunikace a spolupráce