Základy logického řízení

Transkript

1 Základy logického řízení Určeno pro studenty bakalářských studijních programů na FBI Obsah 1. Úvod 2. Kontaktní logické řízení 3. Bezkontaktní logické řízení 11/2007 Doc.Ing. Václav Vrána, CSc. 1

2 1. Úvod Řízení je definováno jako cílené působení řídicího systému na řízený objekt tak, aby bylo dosaženo určeného cíle. Je členěno na automatické a ruční. Automatické řízení je děleno na logické, spojité, diskrétní a fuzzy řízení, Obvody logického řízení zpracovávají dvouhodnotové informace a mohou být značně jednoduché až komplikované s mnohými vazbami. Logické obvody řídícího systému mají z dvouhodnotových zadaných vstupních informací vytvořit opět dvouhodnotové informace určitým způsobem závislé na dodaných informacích (zprávách o stavech veličin a procesu). Analýzu a syntézu těchto obvodů je možno provádět buď pomocí intuicí (na základě zkušeností) nebo pomocí teoreticky propracované metody spínací (Boolovy) algebry. Vstupem bývají většinou stavy kontaktů ovládacích přístrojů (tlačítka, přepínače apod.) a mezních spínačů veličin z procesu (poloha, rychlost, tlak, teplota apod) Výstupem logického řízení je nakonec nějaký stav spínacího prvku (nejčastěji stykače) ve výkonové (silové) části elektrického zařízení (řízeného objektu), kterým může být např. pohon, ventil, brzda, spotřebič atd. Tento spínací stav musí odpovídat určitému procesu v řídící části obvodů logického řízení. Jako spínací prvky ve výkonové části se převážně používají kontaktní spínací přístroje zajišťující bezpečné a spolehlivé galvanické oddělení obvodů. Bezkontaktní spínače (polovodičové prvkytranzistory, tyristory, triaky) se zde používají hlavně v případech požadavku vysoké hustoty (frekvence) spínání a často se z hlediska bezpečného oddělení kombinují s kontaktními spínači. Podle druhu použitých prvků v řídícím systému dělíme tyto obvody logického řízení na: Kontaktní,( elektricke logicke systemy pro elektromechanickou techniku) využívajíc í kontaktní spínací přístroje (stykače, pomocná a časová relé, ovládače a čidla s kontaktním výstupem) Bezkontaktní využívající polovodičové prvky (spínače), obvody, moduly a systémy. Podle způsobu sestavení programu realizujícího požadované funkce rozlišujeme dále tyto obvody na: - pevně programovatelné využívající prvky logických funkcí a operací v pevném zapojení realizující dle vstupních informací obsluhy, nadřazených systémů a, zpětnovazebních signálů požadované funkce a chování obvodu s výstupním signálem k ovládání výkonového spínacího prvku. V praxi se jedná většinou o typové integrované obvody obsahující prvky logických funkcí (součet, součin, negace), prvky časové (zpožďovací) a klopné obvody. - volně programovatelné ( využívající možnosti realizací nastavených řídících funkcí výpočtem pomocí logického procesoru (automatu) nebo průmyslového řídícího počítače. V normách se můžeme setkat s tímto členěním LO: - elektricke logicke systemy pro elektromechanickou techniku; elektronicke logicke systemy pro elektronickou techniku; programovatelne elektronicke logicke systemy pro programovatelne elektronicke systemy 2. Kontaktní logické řízení Návrh těchto obvodů je proveden v tzv. ovládacích obvodovém schématu obsahujícím zapojení cívek a pomocných kontaktů spínacích přístrojů (stykačů, relé), kontaktů ovládacích, a mezních spínačů, návěstních přístrojů (signální svítidla a výstražná zařízení). Pro přehlednost a možnost vyjádření funkce obvodu mají tato schémata určité uspořádání a používají jednotný způsob kreslení (značky) a označování (popis) prvků dané mezinárodními normami. Označení přístrojů a potenciálů musí být doplněno vzájemnými odkazy umožňující sledování funkcí a návazností jednotlivých výkresů. vstup Kontaktní (relé) PLC (programovatelné automaty) řídící systém volně programovatelné (spojení členů programem) Průmyslové počítače automaty) výstup Bezkontaktní (log. členy) pevně programovatelné (fyzické- drátové spojení spojení členů) členů) 2

3 , SB.. Tlačítkový spínač se zapínacím kontaktem a samočinným návratem SA.. Otočný spínač se zapínacím kontaktem a bez samočinného návratu. SB. Tlačítkový spínač s vypínacím kontaktem a samočinným návratem SQ.. Polohový spínač, zapínací kontakt, vypínací kontakt KA.. KM.. KT.. Ovládací ústrojí (cívka), všeobecná značka, - cívka pomocného relé - cívka stykače - cívka časového relé se zpožděným odpadem KT.. - cívka časového relé se zpožděným přítahem FU.. Pojistka FA.. Nadproudové tepelné relé (tepelná spoušť) HL.. Světelné návěstí (signální svítidlo na pultech, velínech ) Akustické návěstí (houkačka) T Transformátor dvouvinuťový M 3 ~ MA.. Asynchronní motor s kotvou nakrátko Příklad obvodového schématu zapojení hlavních (černě) a ovládacích - pomocných obvodů (červená) asynchronního motoru ovládaného tlačítky ZAP VYP. L1, L2, L3.. fázové vodiče N.. PE.. nulový vodič ochranný vodič FU1 pojistky v silovém (hlavním) obvodě -FU2 pojistka v řídícím ( ovládacím) obvodě -KM1 stykač s kontakty: - silovými 1-2,3-4,5-6 - pomocnými a s ovládací cívkou A1-A2 3

4 - SB1 vypínací tlačítko (VYP) - SB2 zapínací tlačítko (ZAP) - MA1 připojený motor (spotřebič) Příklad odděleného kreslení obvodového schématu ovládacích obvodů (tzv. liniové schéma) Pro snadnou orientaci má být výkres rozdělen na řádky a sloupce. U cívek popř kontaktů se uvádějí odkazy na kontakty popř. cívky (číslo výkresu a sloupce ). Kontakty příslušející k cívce ze buď zobrazí, nebo se používalo označení čárkou nad číslem řádku (zapínací kontakt), popř. pod číslem řádku (vypínací kontakt). Příklad zapojení hlavních a ovládacích obvodů 3-fázového asynchronního motoru ovládaného tlačítky ZAP,VYP ze dvou míst. Obvodové schéma hlavních a ovládacích obvodů 3-fázový asynchronní motor (AM) ovládaný tlačítky s reverzací směru otáčení motoru a jeho signalizací chodu 4

5 Reverzace směru otáčení u 3-fáz. AM se dosáhne změnou sledu fází přiváděných k motoru. Toto lze provést dalším stykačem KM2 s vzájemným přehozením dvou výstupních svorek ( např. 2 a 6 u fází L1 a L3). Ovládací obvod musí být proveden tak, aby v žádném případě nemohlo dojít k současnému sepnutí obou stykačů -KM1 a KM2, což by představovalo zkrat. Řízení lze provést např. zapojením klidových kontaktů jednotlivých stykačů do obvodu cívky druhého stykače. (Např. kontakt stykače KM1 (13-14) je zapojen v obvodu cívky stykače KM2 a obráceně). Zvýšení spolehlivosti tohoto opatření lze provést pomocí vypínacího kontaktu tlačítka zapojeného v obvodu cívky druhého stykače. Signalizaci směru chodu lze jednoduše provést pomocí signálních svítidel HL1,2 připojených paralelně k cívkám stykačů. Mezi hlavní nevýhodu tohoto druhu řízení je energetická náročnost (cívky spínačů), dlouhá doba realizace a prakticky nemožnost snadné úpravy algoritmu řízení u dodaného systému. Nutné změny vyžadují náročné úpravy v zapojení jednotlivých přístrojů. 3. LOGICKÉ ŘÍZENÍ BEZKONTAKTNÍ Úvod Logická proměnná má tyto dvě hodnoty: I SIGNÁL EXISTUJE, VÝROK PLATÍ 0 SIGNÁL NEEXISTUJE, VÝROK NEPLATÍ Algebra dvouhodnotových čísel neboli základní pravidla pro počítání s těmito veličinami se nazývá BOOLOVA algebra a je založena na logickém součtu, součinu,a negaci a platí pro ni soubor axiomů (Boolovy zákony). Logická funkce vyjadřuje závislost jedné nebo více výstupních (závisle) proměnných na jedné nebo více vstupních (nezávisle) proměnných Logickou funkci pro soubor vstupních proměnných lze zapsat: Tabulkou (Logická tabulka je algebraickým vyjádřením logické funkce) Algebraickým výrazem Blokovým schématem Kargnaughovou mapou. Mechanismy, které zpracovávají dle určité funkce signál se nazývají logické členy (obvody). Logické členy dělíme dále na: Kombinačn í určité kombinaci vstupních signálů (nezávisle proměnných) odpovídá jedna určitá hodnota výstupního signálu (závisle proměnné), která je pouze závislá na této kombinaci (dle tabulky). Nezávisle proměnné nabývají pouze 2 hodnot (0 a I). Nezávisle proměnné n mohou nabývat hodnot 4 n. Jedna nezávisle proměnná (n=1) může nabývat čtyř hodnot Pořadí hodnoty Vstup a Výstup x 1 0 I Negace-invertor ā = x 2 I 0 Negace-invertor ā = x Sledování - sledovač x = a 4 I I Sledování - sledovač x = a Funkce rovnice symbol Kontaktní ekvivalent Sekvenční výstupní signály závisí nejen na kombinaci vstupních x = a signálů, ale i na předchozí výstupní kombinaci. Podstatnou části obvodu je paměťový člen. 5

6 Přehled základních logických funkcí a členů AND logický součin OR logický součet NOT negace (inverze) stavu (na vstupu) NAND, (NOR).. negovaný logický součin (součet) Logická tabulka je algebraickým vyjádřením logické funkce. 6

7 Pevně programovatelné LO Konstrukční provedení těchto základních členů (obvodů) jsou elektronické obvody převážně v provedení jako integrované obvody. Vlastní řídící algoritmus zde vznikne vzájemným pevným spojením jednotlivých členů, což neumožňuje snadnou korekcí a ladění tohoto programu. Tyto obvody jsou v důsledku rozvoje výp. Techniky nahrazovány volně programovatelnými LO. Volně programovatelné LO V případě, že základní a další možné logické funkce nejsou realizovány propojením skutečných elektronických obvodů, ale programově v zařízení výpočtové techniky, jedná o tzv. volně programovatelné řízení prakticky realizované pomocí buď tzv. programovatelných automatů - PLC centrální jednotka vstupní jedn. paměti výstupní jedn. program sběrnice Obr. Zjednodušené blokové schéma PLC (Program Logic Control), obsahujících centrální jednotku (mikroprocesor(y)), paměti, vstupní a výstupní obvody a vytvořený program viz obr., nebo průmyslových počítačů (PC doplněný vstupními a výstupními obvody). Uživatelský program se vytváří pomocí programovacího software, který je schopen vytvořit vazbu mezi vstupy a výstupy v jakékoli požadované posloupnosti, měřit čas nebo provádět i výpočetní operace. Program se zpracovává cyklicky. Před každým programovým cyklem se načte obraz vstupů a na konci cyklu se zapíše obraz výstupů na fyzické výstupy. Výstupem mohou být i kontakty (u menších provedení, tzv. inteligentních stykačů viz obr.), většinou jsou ale PLC provedeny s výstupy bezkontaktními, ke kterým je nutno před silový výstup (stykač) připojit cívku kontaktního přístroje (nejčastěji relé). PLC jsou schopny převzít úlohy od jednoduchého řízení až po malé aplikace z oblasti numerického řízení. Na trhu je velmi obsáhlá nabídka těchto produktů určených jak pro provozní, tak i bezpečnostní aplikace. L1,2,3,N L1,2,3,N SB2 SB1 I N P L C O U T KM1 SB2 SB1 I N P L C O U T HL1 Obr. Zapojení jednoduchého PLC s bezkontaktními výstupy k řízení chodu motoru M 3~ HL1 M 3~ Obr. Zapojení jednoduchého PLC k řízení chodu motoru (inteligentní stykač) 7