Projekt: Vzdělávání pro efektivní transfer technologií a znalostí v přírodovědných a technických oborech reg. č. CZ.1.07/2.3.00/45.

Transkript

1 Projekt: Vzdělávání pro efektivní transfer technologií a znalostí v přírodovědných a technických oborech reg. č. CZ.1.07/2.3.00/ Didaktický materiál Kurz : Základy logického řízení Autor : doc. Ing. Libor Tůma, CSc. TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.

2 Doc. Ing. Libor Tůma, CSc.: Základy logického řízení strana 1 ÚVOD DO PROBLEMATIKY LOGICKÉHO ŘÍZENÍ ročník SŠ AP ZLR 180 min. 1. lekce Prostředí Laboratoř logického řízení vybavená programovatelnými logickými automaty a laboratorními úlohami. Hlavní myšlenka lekce Vysvětlit žákům hlavní témata kurzu s jejich návaznostmi. Praktická ukázka konkrétních laboratorních úloh, které budou v kurzu používat. Zásadní otázky lekce Co vše se v kurzu dozvědí a v jakém prostředí bude probíhat? Jak spolu jednotlivá témata souvisejí? Jaká jsou jejich praktická použití? Příprava lekce Stručný popis základních principů logického řízení (množina změn stavů, programovací a komunikační prostředky, programovatelné automaty). Podrobněji popsat hlavní motivační myšlenku popsat reálnou úlohu v konečném počtu stavů, mezi kterými jsou dané vazby a které mají určité vlastnosti. Takovou úlohu pak řešit pomocí aparátů logiky a prostředků programovatelných automatů. Podstatná část lekce bude věnována popisu a praktickým ukázkám jednotlivých laboratorních a modelových (virtuálních) úloh, se kterými budou žáci během kurzu pracovat v rámci probíraných témat.

3 Doc. Ing. Libor Tůma, CSc.: Základy logického řízení strana 2 1) Motivace Cíl aktivity Žáci se dozvědí vzájemné souvislosti mezi jednotlivými tématy kurzu a základní motivační myšlenku vlastního použití programovatelných logických automatů. Dále jim budou stručně představeny konkrétní laboratorní úlohy, se kterými budou během kurzu pracovat. 20 min. Pomůcky Výběr vhodných ilustrativních příkladů. Základní pravidla pro výpočet logické funkce a prostředky pro realizaci řídícího algoritmu. Jednotlivé laboratorní úlohy. 1. Učitel žáky v krátkosti seznámí s hlavní myšlenkou kurzu, tj. proč a jak působit na reálný objekt, abychom dosáhli určitého cíle, a jakou úlohu při tom hraje použití programovatelného logického automatu (PLC Programmable Logic Controller). Výklad doplní i příklady z běžné praxe (řízení semaforů na křižovatkách, ovládání výtahů, řízení dopravních úloh např. metro, vlaky apod., dále úlohy řízení manipulačních a robotických strojů v rámci technologických a výrobních linek až po komplexní úlohy pro řízení provozu inteligentních budov). V úvodu může i stručně zmínit historii vzniku PLC (náhrada pevných reléových obvodů v automobilovém průmyslu, osobnost Richard Morley). 2. Na úvodní motivační výklad učitel naváže přehledem jednotlivých témat, se kterými se žáci průběžně seznámí, a to včetně zdůvodnění potřebnosti a návaznosti každého tématu: Obvody logického řízení, Boolova algebra, ovládací prvky kontaktní a bezkontaktní (možnosti pro pevně a volně programovatelné prvky), programovatelné automaty a průmyslové počítače. Návrh aplikace s ohledem na bezpečnost provozu (ošetření výpadku napětí, havarijní stavy). 3. Jako další krok úvodní části učitel jen velmi krátce představí jednotlivé laboratorní úlohy, na kterých budou žáci v rámci kurzu pracovat. U každé popíše princip, tj. kterou reálnou úlohu model představuje a jaké jsou akční a regulované veličiny.

4 Doc. Ing. Libor Tůma, CSc.: Základy logického řízení strana 3 2) Evokace Cíl aktivity Pro konkrétnější představu o náplni kurzu budou žákům předvedeny jednotlivé úlohy na jednoduchých demonstračních příkladech. 90 min. Pomůcky Jednotlivé laboratorní úlohy připravené s jednoduchými demonstračními příklady. 1. Žáci se dozvěděli, co budou během kurzu dělat a s jakými úlohami budou pracovat. Aby měli přesnější představu o chování jednotlivých úloh a hlavně smyslu jejich řízení, představí jim nyní učitel znova každou laboratorní úlohu, zapakuje modelovou shodu s reálným systémem a předvede na předem připraveném příkladu konkrétní použití. 2. U každé úlohy učitel předvede, jaké základní funkční celky (režimy) model obsahuje a pak na předem vybraných a připravených příkladech uvede a prakticky ukáže, jaké typy úloh se dají na tomto modelu řešit s využitím algoritmů naprogramovaných v PLC. Žáci si u každé úlohy dělají poznámky o vstupních a výstupních veličinách a také o tom, jaké parametry se u každé předvedené úlohy mohou měnit. Podrobnější popis k jednotlivým úlohám je uveden v části 5. tohoto metodického listu. 3. Protože simulační experimenty (ovládání fyzikálních úloh) jsou většinou realizovány pomocí automatů TECOMAT a k jejich naprogramování je použito vývojové prostředí Mosaic, vysvětlí učitel žákům i základní vlastnosti tohoto prostředí. Učitel se omezí na opravdu základní údaje, neboť žáci budou používat prostředí v dalších lekcích tohoto kurzu a jednotlivé prostředky tohoto simulačního prostředí se budou dozvídat postupně dle potřeby (potřebných prostředků bude poměrně hodně a podrobná úvodní informace by tak nebyla především časově efektivní).

5 Doc. Ing. Libor Tůma, CSc.: Základy logického řízení strana 4 3) Uvědomění Cíl aktivity Žáci si nyní sami vyzkouší práci s jednotlivými úlohami. 60 min. Pomůcky Připravené demonstrační příklady k jednotlivým úlohám s předem připravenými příklady na úlohy logického řízení. 1. Učitel nyní nastaví harmonogram další lekce tak, aby si každý žák mohl vyzkoušet každou laboratorní úlohu. Při větším počtu žáků je možné vytvořit skupinky s více žáky, aby se časově dala celá tato část lekce stihnout. 2. Žáci podle poznámek z předchozího seznámení s úlohami budou sami ovládat jednotlivé laboratorní úlohy. Celá tato aktivita tak může být pro učitele dosti náročná, neboť lze očekávat od žáků větší počet dotazů k práci s neznámým prostředím. Učitel proto může zvolit do jisté míry kombinovaný přístup k zodpovězení dotazů, tj. formu individuálních konzultací k jednotlivým dotazům (žákům), nebo podle četnosti věcně podobných dotazů individuální práci žáků na úlohách přerušit a věnovat se vysvětlení konkrétního dotazu pro všechny společně.

6 Doc. Ing. Libor Tůma, CSc.: Základy logického řízení strana 5 4) Reflexe Cíl aktivity Učitel zopakuje přínos kurzu a společně se žáky zrekapituluje práci s jednotlivými úlohami. 10 min. 1. Učitel nejprve zopakuje motivaci dnešní lekce a sám připomene hlavní témata kurzu. Podle možností jej žáci doplňují, např. sami hledají další příklady pro nasazení logických automatů v běžné praxi. 2. Dále učitel ještě jednou projde úlohy v laboratoři a společně s žáky připomene základní funkční jednotky jednotlivých úloh a jaké typy příkladů lze na nich řešit, což mohou opět žáci doplnit a případně rozvíjet do možných modelových situací.

7 Doc. Ing. Libor Tůma, CSc.: Základy logického řízení strana 6 5) Doplnění k popisu úloh v laboratoři Fyzikální modely v laboratoři logického řízení představují zařízení, se kterými se mohou studenti setkat nejen v průmyslové praxi, ale také v běžném životě. Jedná se o úlohy z oblasti manipulační techniky, řízení výšky hladiny, automatických systémů mytí a dalších. Tyto úlohy jsou řízeny pomocí standardních PLC systémů, přičemž algoritmy řízení a programy jsou navrhovány a tvořeny studenty. Úlohy ve své podstatě řeší problémy z kombinační a sekvenční logiky. K programování úloh jsou využívány standardizované programovací jazyky: diagramy funkčních bloků (FBD) a strukturovaného textu (ST). PLC systémy dále nabízejí možnost připojení a ovládání úloh prostřednictvím internetu pomocí webového rozhraní. Automatická pračka Laboratorní úloha automatické pračky, jak už název napovídá, slouží k demonstraci automatického praní prádla. Úloha se skládá z reálné automatické pračky v měřítku 1:1, jejíž řídicí systém byl plně nahrazen otevřeným řídicím systémem PLC. PLC je schopno řídit elektrický motor, topnou spirálu, napouštěcí ventily, čerpadlo a zpracovává informace z pračky. Úkolem studentů je nejprve se seznámit s algoritmem praní, pochopit, co znamenají pojmy jako předpírka, hlavní praní, ždímání atd. Po sestavení algoritmu je dalším úkolem studentů naprogramování automatického režimu praní se všemi stupni s vizualizací a možností ovládat úlohu přes webové rozhraní. Automatická mycí linka aut Úloha automatické mycí linky představuje model portálové mycí linky na auta. Tento model, v měřítku 1:18, obsahuje několik elektromotorů, které pohání čisticí horizontální a vertikální kartáče, snímací prvky a také model vozu. Úkolem studentů je naprogramovat automatický mycí režim, kde bude horizontální kartáč kopírovat profil modelu vozu, zatímco vertikální kartáče se budou otáčet. Součástí řízení může být možnost řídit úlohu fyzicky pomocí tlačítek přímo u úlohy nebo vzdáleně přes webové rozhraní. Výukové přípravky s mikroplc systémem Výukové přípravky s mikroplc systémy slouží k seznámení studentů s problematikou PLC programování. Pomocí programovacího jazyka Diagramu funkčních bloků jsou schopni naprogramovat jednoduché i složitější logické úlohy. Přípravky obsahují digitální vstupy a výstupy, a několik vstupů analogových. Díky tomu je možné simulovat různé typy úloh kombinační, kombinační se zapojením časových funkcí a sekvenční.

8 Doc. Ing. Libor Tůma, CSc.: Základy logického řízení strana 7 Tříosý portálový manipulátor Úloha tříosého portálového dopravníku je modelem portálového jeřábu s elektromagnetickým úchopem pro přenos magneticky měkkých materiálů. Řízení této úlohy je realizováno pomocí PLC, které řídí tři elektromotory, elektromagnet a zpracovává signály ze spínačů, indukčního snímače a inkrementálních rotačních snímačů. Úkolem studentů je vytvořit a naprogramovat algoritmus řízení portálového dopravníku tak, aby se automaticky po založení předmětu do zakládací polohy, kde se nachází indukční čidlo, přenesl tento předmět do zásobníku. Během řešení se naučí zpracovávat informace ze všech čidel a vhodně na ně reagovat. V úloze mohou nastat též mechanické kolizní stavy, kterým se musí studenti programově vyhnout. PLC řízení umožňuje fyzické řízení přímo u úlohy nebo řízení prostřednictvím webového rozhraní. Regulace výšky hladiny Laboratorní úloha reprezentuje problematiku sledování výšky hladiny v nádrži a její regulaci. Výška hladiny je v tomto případě detekována ultrazvukovým čidlem vzdálenosti umístěným na vrcholu vodního sloupce. Přítok vody do nádrže je regulován elektromagnetickými ventily. Odtok z nádrže je volný. Práce studentů spočívá v měření výšky hladiny a programování vlastního PLC systému, včetně procvičení práce se vstupy a výstupy PLC, a programování vlastních jednoduchých řídicích algoritmů. Úloha je doplněna signalizací, která indikuje stav úlohy. Celý systém je zároveň monitorován webovou kamerou a PLC systém je připojen k internetu, čímž je zajištěna vizuální zpětná vazba a zajištěna možnost řízení přes webové rozhraní. Inteligentní domovní elektroinstalace Laboratorní přípravky s inteligentními prvky domovní elektroinstalace s centrálním řídicím systémem s PLC představují ucelený soubor snímacích prvků a akčních členů, které se v praxi běžně vyskytují. Jedná se o vypínače, snímače pohybu, teploměry, kódové zámky, osvětlovací prvky (barevné LED pásky), termo-hlavice s elektrickým pohonem, vizualizační displeje a další zařízení, která komunikují po sběrnici CIB. Úkolem studentů je seznámit se se všemi prvky obsaženými v přípravcích, naučit se pracovat s komunikační sběrnicí CIB s PLC řízením a za pomoci jednoduchých naprogramovaných algoritmů zpracovat měřené signály a řídit jednotlivé akční prvky. To vše pak vhodnou formou vizualizovat a ovládat pomocí webového rozhraní.

9 Doc. Ing. Libor Tůma, CSc.: Základy logického řízení strana 8 KOMBINAČNÍ LOGIKA A JEJÍ PROGRAMOVÁNÍ ročník SŠ AP ZLR 360 min. 2. lekce Prostředí Laboratoř logického řízení vybavená programovatelnými logickými automaty LOGO!. Hlavní myšlenka lekce Vysvětlit a procvičit pravidla kombinační logiky, seznámit žáky se základními prvky programování kombinačních úloh na úrovni jazyka symbolických adres. Zásadní otázky lekce Co jsou to logické proměnné a jak se s nimi pracuje? Jak naprogramovat posloupnost požadovaných úkonů (činností) pro konkrétní zadání? Příprava lekce Podrobný výklad základních pravidel Booleovy algebry včetně připravených demonstračních příkladů. Řešení příkladů z kombinační logiky pomocí Karnaughovy mapy. Ukázky sestavení Karnaughovy mapy pro 2 až 4 logické proměnné a několik řešených příkladů pro možné úpravy a její minimalizaci sestavení výstupní logické funkce. Realizace logické funkce pomocí reléových schémat a pomocí funkčních bloků (porovnání). Seznámení s logickým programovatelným automatem LOGO!. Praktické příklady pro celkové řešení úloh kombinační logiky (sestavení logické funkce a naprogramování pomocí automatu LOGO!).

10 Doc. Ing. Libor Tůma, CSc.: Základy logického řízení strana 9 1) Motivace Cíl aktivity Učitel žákům na jednoduchých příkladech ukáže, co je potřeba znát, aby byli schopni sami podobný příklad vyřešit a realizovat. 40 min. Pomůcky Výběr vhodných ilustrativních příkladů. Základní pravidla Booleovy algebry. Pracovní list pro zápis Karnaughovy mapy. Programovatelný logický automat LOGO! 4. Učitel žákům v krátkosti zopakuje základní myšlenku logického řízení (uvedeno v minulé lekci) i s několika příklady z běžné praxe (ovládání semaforu, nápojový automat, výtah). Na konkrétních příkladech pak vysvětlí rozdíl mezi kombinačními a sekvenčními obvody. Jako příklad kombinačního obvodu je vhodné zvolit např. schodišťový vypínač. Přitom vysvětlí i rozdíl mezi logickou proměnnou a logickou funkcí a uvede základní vztahy Booleovy algebry (negace, součet, součin). 5. Na zvoleném příkladě (schodišťový vypínač) učitel demonstruje celý postup pro návrh zapojení logického obvodu. Vstupní úroveň znalostí žáků může být v tomto tématu dosti rozdílná (podle typu střední školy), proto je vhodné spolupracovat více s žáky a podrobnosti výkladu přizpůsobit jejich reakcím. 6. Na závěr této části učitel ještě jednou shrne celý postup řešení úlohy a žákům předvede na předem připraveném PLC, jak sestavený program schodišťového vypínače funguje. Na základě této úlohy pak s žáky společně hledá další podobné příklady kombinačních logických obvodů s tím, že si některé společně v další části lekce vyřeší. Tím je motivační část lekce naplněna.

11 Doc. Ing. Libor Tůma, CSc.: Základy logického řízení strana 10 2) Evokace Cíl aktivity Žáci se naučí a procvičí si základní operace kombinačních logických obvodů, a to jak formou klasických liniových schémat, tak i s použitím již předdefinovaných funkčních bloků v rámci programovatelného automatu LOGO!. 120 min. Pomůcky Připravené řešené příklady pro zadání jednodušších úloh kombinační logiky. Programovatelný logický automat LOGO!. 4. Učitel má připravených několik příkladů na řešení kombinačních logických obvodů, které bude s žáky v této části lekce společně řešit. Dvě jednodušší úlohy je vhodné vyřešit jak liniovým schématem, tak k němu sestavit i alternativní program pro programovatelný automat LOGO!. Příklady jednoduchých kombinačních obvodů jsou např.: převod z binárního do Grayova kódu, ovládání semisegmentového displeje binárním kódem, majorita ze 3 (výstup Y nabývá hodnoty log.1, pokud alespoň 2 ze tří vstupů X1, X2 a X3 nabývají hodnoty log.1). 5. Žáci dosud viděli použití automatu LOGO! pouze v předvedených ukázkách. Učitel jim nyní podrobněji představí základní funkce tohoto programovatelného automatu a žáci si na jednoduchých (učitelem předem připravených a klidně nesouvisejících) sekvencích programu jednotlivé základní funkce vyzkoušejí. Předpokládá se, že každý žák (nejvýše dva dohromady) by pracoval na jednom programovatelném automatu. Žáci si tak nejdříve vyzkoušejí základní ovládání výstupů v závislosti na stavech vstupů: Logickou funkci Y=X, Y= not X, Y=X1 OR X2, Y=X1 AND X2, Y=X1 XOR X2, Y=X1 NOR X2, Y=X1 NAND X2. Následně je možné procvičit kombinace logických funkcí zařazením příkladů s využitím předem připravených logických rovnic typu Y=(X1 OR X2) AND (X1 XOR X2) a podobně. Žáci si tak procvičí vlastnosti Booleovy algebry a zároveň získají i dovednosti s programováním konkrétního automatu. 6. V další části již učitel zadá o něco složitější příklady na sestavení delší sekvence příkazů programu. Např. nejprve základní funkce pro více proměnných nebo jejich různé kombinace. Počet těchto příkladů a jejich náročnost by měla odpovídat schopnostem žáků pracovat s automatem LOGO!.

12 Doc. Ing. Libor Tůma, CSc.: Základy logického řízení strana 11 3) Uvědomění Cíl aktivity Žáci si nyní sami vyzkoušejí řešení konkrétních úloh od návrhu programu až po jeho realizaci pomocí automatu LOGO!. 180 min. Pomůcky Programovatelné automaty LOGO!. Připravená zadání na úlohy kombinačních logických obvodů. 3. K procvičení získaných znalostí si teď žáci vyzkoušejí, jak jsou schopni pracovat samostatně. Učitel má připravených několik dalších příkladů. Jeden z nich si vybere a žákům zadá jako společný příklad, který mají vyřešit. Podle reakcí žáků buď jejich práci pouze kontroluje a pomáhá v případě potřeby jen jednotlivcům, nebo jejich samostatnou práci přeruší a některé části řešení (všichni pracují na stejném zadání) provede s žáky společně na tabuli. Ti pak pokračují již samostatně v další práci. Během tohoto řešení mohou žáci i společně konzultovat dílčí kroky řešení a porovnávat si své výsledky. 4. Učitel pak zadá několik dalších úloh na řešení kombinačních logických obvodů a žáci si sami vyberou, kterou z nich chtějí řešit. Rozumný počet jsou tak čtyři různé úlohy. Žáci pokud možno pracují samostatně. Učitel průběžně jejich práci kontroluje a konzultuje případné dotazy. Pokud žák úlohu vyřeší, vybere si další ze zadaných příkladů a pokračuje v samostatné práci. Každý z žáků by si takto měl vyřešit alespoň dvě až tři úlohy. Příklady k procvičení řešení kombinačních úloh jsou uvedeny v části 5) této lekce.

13 Doc. Ing. Libor Tůma, CSc.: Základy logického řízení strana 12 4) Reflexe Cíl aktivity Učitel zopakuje přínos kurzu a společně se žáky zrekapituluje získané znalosti. 20 min. 3. Učitel nejprve sám zopakuje, co vše se žáci během lekce dozvěděli a naučili v rámci řešení příkladů na programovatelných automatech LOGO!. Zdůrazní vlastnosti kombinačních logických úloh a v čem se liší od sekvenčních úloh. Opět s žáky může projít konkrétní příklady. Žáci se zároveň dozvědí, že programování sekvenčních logických obvodů bude tématem další lekce. 4. Na závěr celé lekce učitel s žáky diskutuje o jejich zkušenostech s řešením příkladů a programováním na automatech LOGO!.Tématem diskusí může být zejména časová náročnost řešení jednotlivých úloh, pracnost/pohodlnost zadávání příkazů při programování, názornost získaných výsledků a další.

14 Doc. Ing. Libor Tůma, CSc.: Základy logického řízení strana 13 5) Příklady pro řešení kombinačních úloh K1 Multiplexor 6 vstupů (I1 4 datové vstupy; I5, I6 adresové vstupy) 1 výstup (Q1 datový výstup) Displej Pozn.: Přenos signálu ze vstupu na výstup podle zadané adresy nastavené na vstupu. Na displeji bude informace o propojení konkrétního vstupu s výstupem JE PROPOJEN VSTUP X S VÝSTUPEM. K2 Demultiplexor 3 vstupy (I1 datový vstup; I2, I3 adresové vstupy) 4 výstupy (Q1 4 datové výstupy) Displej Pozn.: Z jediného vstupu se data přenášejí na adresované výstupy. Na displeji bude informace o propojení konkrétního výstupu se vstupem VSTUP JE PROPOJEN S VÝSTUPEM X. K3 Signalizace náledí 2 vstupy (I1 ON/OFF; I7 analogový vstup simulace teploměru) 2 výstup (Q1 ON/OFF, Q2 signalizace náledí) + výstup na displej Rozdělení stupnice v rozsahu 10 C až +35 C. Při teplotě pod 0 C se na displeji objeví POZOR NALEDI! a zároveň se rozsvítí výstražné světlo. K4 Signalizace ukazatele paliva 2 vstupy (I1 ON/OFF; I7 analogový vstup simulace snímače výšky hladiny) 4 výstupy (Q1 4) + výstup na displej Rozdělení stupnice na 4 díly. Plná nádrž svítí 3 diody (3/4, 1/2 a 1/4). Je li paliva méně než 1/4, tak se na displeji objeví REZERVA! a rozsvítí se hladové oko. K5 Topení 2 vstupy (I1 ON/OFF, I7 analogový vstup simulace teploměru) 2 výstup (Q1 ON/OFF, Q2 zapnuté topení) + výstup na displej Rozdělení stupnice na 0 C až +60 C. Aktuální hodnota teploty se zobrazí na displeji. Stoupá-li teplota, tak topení vypne při 24 C, a klesá-li teplota, tak se zapne: 1. při 24 C (bez hystereze), 2. při 20 C (s hysterezí). K6 Sedmisegmentovka varianta I 10 vstupů 7 výstupů Displej Aktivací příslušného vstupu, který bude znamenat číslo 0 9, se aktivují příslušné segmenty. Na displeji bude také zobrazena aktuálně nastavená číslice.

15 Doc. Ing. Libor Tůma, CSc.: Základy logického řízení strana 14 K7 Sedmisegmentovka varianta II 1 vstup (typ byte) 7 výstupů Displej Zjištění čísla 0 9, kódování na sedmisegmentový displej, aktivace příslušných segmentů. Na displeji bude také zobrazena aktuálně nastavená číslice. K8 Inteligentní světla 3 vstupy (2 spínače, 1 snímač) 2 výstupy (světla) Displej Inteligentní světla mohou být provozována ve dvou režimech. První režim představuje vypnutý stav, když světla nesvítí a nemohou být rozsvícena ani spínačem, ani signálem ze snímače (např. stav dovolená). Druhý stav, aktivní, představuje řízení ruční nebo automatické. Rozsvícení světel v ručním režimu je realizováno spínačem, v automatickém režimu pak informací ze snímače venkovního osvětlení (analogový snímač s rozsahem 100 až 2000 lx). Klesne-li venkovní osvětlení pod 500 luxů, dá snímač povel k rozsvícení světel. Signál ze spínače je nadřazen signálu ze snímače. Údaj o aktuální úrovni osvětlení bude zobrazen na displeji. K9 Třídicí dopravník Navrhněte ovládání třídiče součástek na výstupu z pásového dopravníku. Velikost aktuálně příchozí součástky simulujte pomocí analogového vstupu. Součástky třiďte na tři skupiny (aktivací jedné ze tří výhybek), na součástky v toleranci (pevně nastavené), na větší a na menší. K10 Třídění balíků 2 vstupy (snímač přítomnosti na váze, analogový snímač hmotnosti) 1 výstup (signalizace balíku na váze) Displej Automatická linka třídí balíky podle hmotnosti do čtyř skupin (rozsah váhy je 0 až 200 kg). Hmotnost je snímána analogovým snímačem. Přítomnost na váze je signalizována digitálním spínačem. Na displeji bude zobrazen počet roztříděných balíků do váhových skupin. K11 Vodojem Navrhněte ovládání vodojemu. V systému jsou dvě čerpadla, analogový snímač hladiny (rozsah 0 až 7 m). Hladinu udržujte v rozsahu 3 až 5 m. Je-li hladina nižší než 3 m, spustí se první čerpadlo, pokud do 5 s od zapnutí nebude dosažena min. hladina 3 m, spustí se druhé čerpadlo. Druhé čerpadlo se vypíná při dosažení spodní hladiny, první čerpadlo při dosažení horní hladiny. Na displeji bude zobrazena aktuální hladina. K12 Třípolohový termostat Topení se dvěma stupni výkonu (Q1 a Q2) je spínáno dle teploty naměřené vstupem AI1. Vstupem AI2 nastavujeme žádanou teplotu. Pokud je teplota vyšší než nastavená, topení je vypnuto. Pokud je nižší, sepne se topení na poloviční výkon. Pokud je rozdíl teplot větší než vhodně zvolená konstanta, sepne se topení na plný výkon. Všechny přechody mezi stavy vybavte rozumně zvolenou hysterezí. Na displeji bude zobrazena informace o aktuální teplotě a na jaký výkon topení pracuje.

16 Doc. Ing. Libor Tůma, CSc.: Základy logického řízení strana 15 SEKVENČNÍ LOGIKA A JEJÍ PROGRAMOVÁNÍ ročník SŠ AP ZLR 360 min. 3. lekce Prostředí Laboratoř logického řízení vybavená programovatelnými logickými automaty LOGO!. Hlavní myšlenka lekce Vysvětlit a procvičit pravidla sekvenční logiky, seznámit žáky se základními obvody pro programování sekvenčních úloh. Zásadní otázky lekce Kdy se používají prostředky sekvenční logiky a jak se s nimi pracuje? Jak naprogramovat úlohy pro konkrétní zadání? Příprava lekce Vysvětlení základních vlastností a členění sekvenčních logických obvodů a popis jednotlivých prvků, včetně procvičení jejich použití na jednoduchých příkladech. Řešení příkladů s využitím sekvenčních obvodů, ukázky připravených úloh a samostatná práce žáků na předem připravených příkladech. Využití logického programovatelného automatu LOGO!. Praktické příklady pro celkové řešení úloh sekvenční logiky (sestavení blokového schématu pro realizaci úlohy a naprogramování pomocí automatu LOGO!). Ukázka řešení (naprogramování) sekvenčních obvodů pomocí PLC Tecomat.

17 Doc. Ing. Libor Tůma, CSc.: Základy logického řízení strana 16 1) Motivace Cíl aktivity Učitel žákům na praktických příkladech ukáže, v čem je odlišné používání sekvenčních obvodů proti kombinačním obvodům a jak se taková úloha programuje. 30 min. Pomůcky Výběr vhodných ilustrativních příkladů. Základní prvky sekvenčních obvodů. Programovatelný logický automat LOGO!. 7. Učitel se stručně odvolá na úvodní (motivační) část minulé lekce, kdy žákům vysvětlil rozdíl mezi kombinačními a sekvenčními obvody. Krátce společně s žáky připomene i některé ilustrativní příklady. Pak na jednom předem zvoleném a připraveném příkladě ukáže základní principy sekvenčních obvodů, tj. že výstup sekvenčního obvodu závisí jak na aktuálně nastavených vstupních kombinacích, tak i na hodnotách v předchozím stavu (tedy zavedení nového prvku paměti). Důležitá může být i vhodná volba ilustrativního příkladu. Např. již předem si lze připravit takový příklad, který je ve svém jednodušším zadání řešen jako kombinační obvod (a učitel jej záměrně zařadí do příkladů v předchozí lekci) a po doplňujícím zadání se pak tato úloha řeší jako sekvenční obvod. Je možné použít například zadání se spouštěním kotle na LTO. Ten je v jednodušším případě ovládán pouze vyhodnocením kombinací signálů o dostatku paliva, správném tlaku vody v topné soustavě a informace z prostorového termostatu. V případě sekvenční úlohy je možné přidat obsluhu zapalovací sekvence hořáků, například nejprve spustit dmychadlo přívodu vzduchu do spalovacího prostoru, po 3 sekundách spustit vstřikovací čerpadlo paliva a otevřít trysku vstřiku, dále po 1 sekundě spustit na 1,5 sekundy zapalovač. 8. Učitel s žáky na závěr této části lekce zopakuje podstatné (pro žáky nové) poznatky z řešeného příkladu a zkusí společně s třídou vyjmenovat i několik podobných příkladů. Tak si zároveň žáci mohou i sami navrhnout příklady, které by chtěli v další části lekce řešit.

18 Doc. Ing. Libor Tůma, CSc.: Základy logického řízení strana 17 2) Evokace Cíl aktivity Žáci se naučí základní prvky sekvenčních logických obvodů s použitím předdefinovaných funkčních bloků v rámci programovatelného automatu LOGO! a procvičí si je. 120 min. Pomůcky Připravené řešené příklady pro zadání jednodušších úloh sekvenční logiky. Programovatelný logický automat LOGO!. 7. V rámci motivace se žáci seznámili s několika prvky sekvenčního obvodu (podle učitelem zvoleného typu příkladu). Nyní se seznámí i s ostatními prvky sekvenční logiky, které budou potřebovat pro řešení dalších příkladů. Učitel nejprve uvede základní členění (klopné obvody, registry, čítače, paměti a mikroprocesory) a zdůrazní rozdíl mezi asynchronními a synchronními obvody a následně ukáže a vysvětlí základní prostředky pro popis stavů jednotlivých prvků: časový diagram, přechodový diagram (popis grafem) a tabulku přechodů. 8. Protože v další části této lekce bude důraz kladen především na aktivní programování úloh sekvenční logiky, připraví si učitel výklad k jednotlivým prvkům klopných obvodů (typy D, RS, RST a JK). U každého typu uvede základní označení, schéma vnitřního zapojení (propojení) vstupů a výstupů a tomu odpovídající tabulku přechodových stavů. Je vhodné i krátce zmínit, pro jaké typy úloh, resp. pro jaké části algoritmů řešení těchto úloh, se daný klopný obvod využívá. Tato informace by ale měla být jen doplňující, konkrétní příklady použití budou až v další části lekce. 9. V závěru této části lekce předvede učitel praktické použití popsaných prostředků sekvenční logiky na předem připravených příkladech. Je vhodné vybrat 2 3 příklady tak, aby se v rámci jejich řešení využily všechny typy klopných obvodů. Je možné také zvolit variantu jednoduchých ukázkových příkladů přímo při výkladu vlastností prvků (bod 2) a na závěr ukázat 1 2 složitější příklady. Pro naprogramování řešených úloh jsou použity programovatelné logické automaty LOGO!, s jejichž programováním již žáci mají zkušenosti z minulé lekce.

19 Doc. Ing. Libor Tůma, CSc.: Základy logického řízení strana 18 3) Uvědomění Cíl aktivity Žáci si nyní sami vyzkouší řešení konkrétních úloh od návrhu programu až po jeho realizaci pomocí automatu LOGO!. 180 min. Pomůcky Programovatelné automaty LOGO!. Připravená zadání na úlohy sekvenčních logických obvodů. 5. Stejně jako v minulé lekci si nyní žáci samostatně procvičí získané znalosti na konkrétních zadáních, přičemž průběh této části lekce je vhodné opět rozdělit na část, kdy žáci pracují sice každý sám, ale na stejném příkladě, a následně na část, kdy si žáci vyberou další příklad podle svého zájmu a zpracovávají ho pak samostatně. Učitel má tedy připraveno zase několik dalších příkladů. Jeden z nich na začátku žákům zadá jako společný příklad, který mají vyřešit. Učitel sleduje jejich práci a případně žákům klade i doplňující otázky (proč použili dané řešení, zda není vhodnější jiný prvek, co řeší ten který konkrétní prvek ap.). Podle reakcí žáků jejich práci pouze kontroluje a pomáhá v případě potřeby jen jednotlivcům. Také není na škodu, když si žáci některé části řešení konzultují sami mezi sebou; nemělo by z toho ale vzniknout široké diskusní fórum. V takovém případě učitel bude postupovat podobně jako v minulé lekci samostatnou práci žáků přeruší a diskutované části řešení provede s žáky společně na tabuli. Ti pak pokračují již samostatně v další práci. 6. Ve druhé části této kapitoly pak učitel zadá několik dalších úloh na řešení sekvenčních logických obvodů (dostatečný počet by měly být tak 3 4 úlohy). Žáci si postupně sami vyberou dle svého zájmu některou z nabídnutých úloh a řeší ji nyní již zcela samostatně. Učitel průběžně jejich práci kontroluje a konzultuje případné dotazy. Pokud žák úlohu vyřeší, vybere si další ze zadaných příkladů a pokračuje v samostatné práci. Každý z žáků by si takto měl vyřešit alespoň dvě úlohy. Příklady k procvičení řešení sekvenčních úloh jsou uvedeny v části 5) této lekce.

20 Doc. Ing. Libor Tůma, CSc.: Základy logického řízení strana 19 4) Reflexe Cíl aktivity Učitel zopakuje přínos kurzu a společně se žáky zrekapituluje práci s jednotlivými úlohami. 30 min. 5. Učitel nejprve velmi krátce zopakuje hlavní přínos této lekce, přičemž zdůrazní podstatný rozdíl mezi řešením kombinačních a sekvenčních obvodů (nutnost zavedení paměti a pro synchronní obvody i časovače). Tuto část pojme nejen jako reflexi daného tématu (řešení sekvenčních obvodů), ale jako zastřešující shrnutí přínosu obou posledních lekcí, tj. řešení kombinačních a sekvenčních obvodů. Podle možností žáci učitele doplňují. Např. sami upozorňují na specifika a odlišnosti mezi řešením jednotlivých příkladů, včetně jejich aplikačních možností. 6. Protože součástí řešení úloh byl nejen návrh algoritmu, ale i vlastní naprogramování pomocí automatu LOGO!, diskutuje učitel s žáky také pracnost a přehlednost programování pomocí tohoto automatu. Touto diskusí by měli žáci postupně dojít k názoru, že pro složitější úlohy se programování s LOGO! stává méně přehledným a zejména při ladění programu (tj. při jeho postupných úpravách) je pak programování i časově náročnější. Jako úplný závěr této části úlohy pak učitel žákům předvede programovatelný automat TECOMAT a naznačí jeho možnosti v použití řešení rozsáhlých úloh (možnosti vstupně výstupních periferií, různé přístupy pro programování, propojení s dalšími počítači, možnosti vizualizace, ovládání úloh přes vzdálený přístup). Nakonec se žáci dozvědí, že právě tímto dalším přístupem k řešení úloh logického řízení se budou zabývat v dalších lekcích.

21 Doc. Ing. Libor Tůma, CSc.: Základy logického řízení strana 20 5) Příklady pro řešení sekvenčních úloh S1 Ovládání lisu 3 vstupy (I1 ON/OFF, I2 a I3 tlačítka) 4 výstupy (Q1 ON/OFF stroje; Q2 bliká, když je lis v pohybu; Q3 dolů, Q4 nahoru) Displej Dvěma tlačítky (tzv. obouruční ovládání) se ovládá sekvence pohybu lisu dolů a nahoru. Ošetření trvalého sepnutí tlačítek. Trvání pohybů: 5 s dolů a 3 s nahoru. Na displeji bude údaj, kolikrát byl lis spuštěn. S2 Spínací hodiny 1 vstup (ON/OFF) 3 výstupy (Q1 ON stroje, Q2 běh motoru do Y, Q3 běh motoru do D) Displej Nastavit sekvenci spínání každý pracovní den, v 8.00 hodin na 5 minut a ve na 3 minuty. Spuštění pohonu čerpadla nejprve do Y (hvězdy) a po 3 s přepnout do D (trojúhelníka). Pomocí displeje bude možno parametrizovat časy sepnutí. S3 Světelná šipka s volbou funkce a rychlosti šipky 3 (I1 ON/OFF, I2 vpravo/vlevo, IA1 rychlost blikání) 4 výstupy Displej Svítí jedna dioda. Světlo se hýbe buď vpravo, nebo vlevo. Uživatel by měl mít možnost měnit rychlost blikání světel v rozsahu 0,5 až 10násobku základní frekvence blikání (použití analogového vstupu). Displej bude sloužit k zobrazení nastavené rychlosti blikání. S4 Balicí stroj 2 vstupy (I1 ON/OFF, I2 počítadlo) 4 výstupy (Q1 ON/OFF, Q2 pás, Q3 vysunutí pístu, Q4 zasunutí pístu) + displej Stroj se spustí spínačem (I1) a Q1 to signalizuje. Při pohybu pásu (Q2) se načítají výrobky (I2 simuluje signál z nějakého čidla). Jejich celkový počet a počet na paletu se vizualizuje na panelu (displeji). Při dosažení 5 kusů (množství kusů na paletu) se pás zastaví a spustí se sekvence vysunutí pístu (Q3, 2 s) a pak zasunutí pístu (Q4, 2 s). Po zasunutí se nuluje počítadlo kusů na paletu a pás se rozbíhá. Údaj o celkovém počtu se resetuje vypnutím stroje. S5 Přechod pro chodce se světelnou signalizací 2 vstupy (I1 ON/OFF; I2 aktivace chodcem) 5 výstupů (Q1 3) (červená oranžová zelená pro auta, červená zelená pro chodce) Displej 1. Režim (OFF) bliká oranžové světlo. 2. Aktivní režim (ON). Chodec spustí (I2) sekvenci přechodu pro chodce (ze zelené přes oranžovou až červenou pro auta). V centrále bude na displeji zobrazeno, jaký režim chodu je právě na semaforu provozován. Tecomat doplnění o signalizaci pro chodce (plus 2 výstupy č+z panáček). Simulace na panelu.

22 Doc. Ing. Libor Tůma, CSc.: Základy logického řízení strana 21 S6 Výtah 7 vstupů (3 vstupy kabina, 3 vstupy schodiště, 1 vstup přítomnost pasažéra) 4 výstupy (3 výstupy patra, 1 výstup pohyb výtahu) Displej Aktivací příslušného vstupu se výtah rozjede do příslušného patra. Dioda bude signalizovat pohyb výtahu patry. Průjezd patrem bude signalizován zasvícením diody. 1. Případ: Pokud nebude ve výtahu pasažér, tak po 3 s výtah automaticky sjede do 0. patra. 2. Případ: V patře setrvá, dokud není aktivován nějaký jiný vstup (simulace volby z výtahu). Displej bude zobrazovat číslo aktuálního patra. S7 Parkovací automat Vstup: kurzorové klávesy Výstup: displej Na displeji se zobrazí hodiny a při sepnutí tlačítka šipky ovládacího panelu u LOGO!, klávesy F1 F4 pro Tecomat, se do paměti uloží aktuální čas. Při dalším zmáčknutí příslušného tlačítka se z časového rozdílu vypočítá cena parkovného. Sazba 30 Kč/1 h. Na displeji bude celková částka k zaplacení. S8 Evidence docházky Vstup: kurzorové klávesy Výstup: displej Každý pracovník má přiděleno tlačítko šipky ovládacího panelu u LOGO! nebo F1 F4 pro Tecomat. Při příchodu sepne příslušné tlačítko uloží se čas. Při odchodu sepne tlačítko a do paměti se uloží rozdíl mezi aktuálním časem a časem v paměti, tedy odpracovaný čas. Výpis odpracovaného času na displej. S9 Hlídání provozní doby Displej (ovládací panel) 2 výstupy 2 vstupy Stroj může bez servisu odpracovat určitý čas. Tlačítkem u displeje (nebo externím tlačítkem I1) se spouští stroj (Q1) a s ním i počítadlo pracovního času (stroj běží, bude zobrazeno na displeji). Dalším zmačknutím tlačítka se stroj vypíná. Odpracovaný čas se zastavuje. Běží-li stroj a uplyne-li servisní interval (1 minuta), stroj se automaticky zastaví a spouští se blikání výstražného světla (digitální výstup Q2 s periodou 1 s) a hlášení na displeji SERVIS!. Technik musí provést servis a klíčkem (dig. vstup I2) resetuje počítadlo pracovního času. S10 - Světelná křižovatka varianta I 1 vstup (zapnutí semaforů) 12 výstupů Klasická křížová křižovatka se čtyřmi semafory. Při vypnutém stavu blikají oranžová světla. V zapnutém stavu se cyklicky spouští sekvence na jednotlivých semaforech. Na displeji bude zobrazena informace o aktuálním režimu (denní/noční).

23 Doc. Ing. Libor Tůma, CSc.: Základy logického řízení strana 22 S11 Světelná křižovatka varianta II 2 vstupy (zapnutí semaforu, aktivace červené chodcem) 3 výstupy Displej Silnice s přechodem se signalizací s tlačítkem pro chodce. Jeden vstup aktivuje semafor. Při vypnutém stavu bliká oranžové světlo. Při zapnutém stavu je pro auta zelená v případě, že nebylo aktivováno tlačítko chodcem. Chodec aktivuje sekvenci rozblikání zeleného světla, přechod na oranžové, svícení červené a po 30 sekundách zpět na oranžovou a zelenou. V centrále bude na displeji zobrazeno, jaký režim chodu je právě na semaforu provozován. S12 Hrací kostka 1 vstup 6 výstupů Displej Zapnutím vstupu se aktivuje hod kostkou a jeho vypnutím se hod kostkou ukončuje. Výstupy mají přidělenu jistou pravděpodobnost tak, jako tomu je u reálné kostky (jeden z výstupů má P=1, další menší atp.). Na displeji bude číslo hozené kostkou. S13 Alarm 4 vstupy (1 vypínač, 3 snímače) 2 výstupy (alarm, předalarm), na panelu Pozor, lupič! Systém bude mít hlídané 3 okruhy. Pokud bude v režimu OFF, tak nejsou informace ze snímačů zpracovávány. Je-li systém v ON stavu, tak se při aktivaci jednoho ze tří okruhů (např. snímač na vstupních dveřích) spouští časovač a s ním i signalizace předalarmu (pípání s periodou 0,5 s), a není-li provedena deaktivace do 15 s přepínačem ON/OFF, tak se ukončí předalarm a spustí se alarm (houkání s periodou 2 s). Střídaní periodických signálů bude 1:1. Zkuste pro odkódování použít sled stisků kurzorových kláves místo jednoho vypínače. S15 Výdejový automat nápojů I 4 vstupy (počítadlo částky, káva 7 Kč, čaj 6 Kč, kapučíno 9 Kč) 4 výstupy (vaření, vysunutí, násyp, lití) Displej s ukazatelem vhozené částky Do automatu se vhodí částka v mincích a navolí se nápoj. Pokud je částka nižší než zvolený nápoj, automat se neaktivuje. Pokud je částka stejná nebo vyšší, spustí se cyklus: návrat peněz nebo nic, vaření vody a zároveň vysunutí kelímku (3 s), násyp granulátu (1 s), zalití horkou vodou (2 s) a výpis zprávy Nápoj hotov!. S16 Výdejový automat nápojů II (se simulátorem Panelu) 3 vstupy (F1 F3) + částka na klávesnici (počítadlo částky, káva 7 Kč, čaj 6 Kč, kapučíno 9 Kč) 5 výstupů (vaření, vysunutí, násyp, lití, zpráva) Do automatu se vhodí částka v mincích a navolí se nápoj. Pokud je částka nižší než zvolený nápoj, automat se neaktivuje. Pokud je částka stejná nebo vyšší, spustí se cyklus: návrat peněz nebo nic, vaření vody a zároveň vysunutí kelímku (3 s), násyp granulátu (1 s), zalití horkou vodou (2 s) a výpis zprávy Nápoj hotov!.

24 Doc. Ing. Libor Tůma, CSc.: Základy logického řízení strana 23 S17 Splachovací automat 4 vstupy (4 snímače) 4 výstupy (4 ventily) Displej Uživatel předstoupí před splachovadlo (aktivace čidla), čímž se spustí časování příslušného časovače. Pokud je signál na čidlu delší než 10 sekund, tak se po odstoupení uživatele (není signál na čidle) aktivuje příslušný splachovací ventil na 3 sekundy. Displej bude sloužit k zobrazení vytížení jednotlivých splachovacích automatů. S18 Parkoviště 2 vstupy (vjezdové tlačítko, výjezdové tlačítko) 4 výstupy (vjezdová závora, výjezdová závora, červená na semaforu před parkovištěm) Displej údaj o aktuálním počtu volných míst Realizujte systém ovládání závor na parkovišti. Při vjezdu na parkoviště, pokud ovšem nesvítí červená před parkovištěm (plné parkoviště), řidič stiskne vjezdové tlačítko, čímž se inkrementuje čítač počtu vozů a dekrementuje čítač počet volných míst. Celkový počet míst na parkovišti bude možný parametrizovat tedy měnit hodnotu proškolenou osobou. Po stisku vjezdového tlačítka se aktivuje závora na příslušný čas. Při výjezdu se po stisku výjezdového tlačítka provedou opačné operace s počítadly a podobný proces s výjezdovou závorou. S19 Vytíženost kotlů 3 vstupy 3 výstupy Displej Navrhněte zařízení pro sledování vytíženosti tři vytápěcích kotlů. Zapínání a vypínání kotlů simulujte digitálními vstupy. Na displeji zobrazujte dobu zapnutí nejvíce vytěžovaného kotle a jeho pořadové číslo indikujte rozsvícením příslušné LED. S20 Turniket Brána turniketu se ovládá jedním digitálním vstupem (simulace dekodéru lístku). Sekvence otevření je: 0,5 s po dekódování se na 2 s otevře brána a zároveň se rozsvítí zelená šipka, do té doby svítí červené stop. Po zavření opět svítí červená. Otevření brány je zaznamenáno počítadlem. Náhled stavu počtu prošlých cestujících/návštěvníků bude zobrazen na displeji. S21 Výdejový automat Na základě sepnutí I1 spustit ohřívač (Q1), dokud teplota nedosáhne žádané hodnoty (vstup AI1), pak podat kelímek (Q2) a po prodlevě nasypat kávu (Q3) a zalít vodou (Q4). Ošetřit přechod do klidového stavu, spuštění, pokud je již voda ohřátá apod. Po dokončení procesu na displeji zobrazit hlášení Nápoj je hotov.

25 Doc. Ing. Libor Tůma, CSc.: Základy logického řízení strana 24 S22 Kódová klávesnice Pokud se sepnou vstupy I1 až I6 ve správném pořadí, sepne se výstup Q1. Při delší prodlevě v zadávání kláves (3 s) nebo při chybném zadání se systém resetuje do výchozího stavu. Po úspěšném zadání bude displej zobrazovat Přístup povolen v opačném případě Přístup zamítnut. S23 Myčka automobilů Pomocí ultrazvukového senzoru vzdálenosti na AI1 jsou ovládány světelné značky GO (Q1), STOP (Q2) a BACK (Q3). Když je automobil ve správné poloze (indikované značkou STOP) po dobu pěti sekund, spustí se mycí proces Q4. Po dokončení mytí je řidič vyzván k opuštění linky značkou GO. Při nárazu (I1), nedostatku tlaku vody (I2 nebo AI2) nebo při chybě řídicího subsystému mytí (I3) bliká značka STOP a myčka je odstavena. Na displeji PLC bude zobrazena informace o aktuální fázi procesu mytí.

26 Doc. Ing. Libor Tůma, CSc.: Základy logického řízení strana 25 PROGRAMOVÁNÍ S VYUŽITÍM PLC TECOMAT ročník SŠ AP ZLR 720 min. 4. lekce Prostředí Laboratoř logického řízení vybavená programovatelnými logickými automaty Tecomat. Hlavní myšlenka lekce Řešení složitějších úloh logického řízení s využitím výkonného průmyslového řídicího systému. Zásadní otázky lekce Jak složité mohou být úlohy logického řízení? Co vše je potřeba k jejich řešení v průmyslové praxi? Jak takové úlohy naprogramovat? Příprava lekce Podrobnější popis několika příkladů pro průmyslové využití logického řízení (pružně výrobní systémy mycí linky, montážní linky, balící linky apod., systémy hromadné obsluhy řízení dopravy, výtahy a další přepravní systémy, řídicí systémy pro pasivní domy). Řešení vybrané úlohy pomocí PLC Tecomat (analýza úlohy, návrh programového řešení a jeho realizace pomocí vývojového prostředí Mosaic, implementace do PLC a ladění programu).

27 Doc. Ing. Libor Tůma, CSc.: Základy logického řízení strana 26 1) Motivace Cíl aktivity Ukázat žákům složitost řešení praktické úlohy. Rozsah problematiky dokumentovat na příkladech z oblasti pružně výrobních systémů a systémů hromadné obsluhy. 40 min. Pomůcky Výběr vhodných příkladů a základní body analýzy pro jejich řešení. U vybraného příkladu ukázka postupu od návrhu algoritmu přes jeho zpracování až po implementaci do PLC. 9. Učitel v úvodní části této lekce krátce pohovoří o různých typech rozsáhlejších reálných úloh, které souvisejí s problematikou logického řízení. Základní dvě oblasti takových příkladů jsou úlohy pružně výrobních systémů, které mohou být z hlediska složitosti (resp. počtu prvků) v rozsahu od několika operačních pozic až po úlohy výrobních hal v automobilovém průmyslu a dále úlohy hromadné obsluhy, jejichž složitost je opět dána rozsahem počtu prvků v úloze, tj. např. od řízení světelné křižovatky až po dispečink letecké dopravy. Další úlohy pak mohou být na principu více či méně komplexního řízení provozu budov, kde v případě regulace energetických zdrojů se pak jedná o hybridní systémy řízení (logické i spojité řízení). Tyto příklady učitel uvede pro ilustraci praktického použití dovedností, které žáci již částečně získali v minulých lekcích, a mohli si tak udělat představu o náročnosti řešení takovýchto složitějších úloh. 10.Na základě uvedených příkladů učitel vyzve žáky, aby zkusili sami uvést podobné (konkrétní) příklady, nejlépe takové, se kterými se osobně setkali. To má za cíl žáky motivovat k tomu, že budou umět řešit problémy, které jsou jim známé z jejich vlastní zkušenosti.

28 Doc. Ing. Libor Tůma, CSc.: Základy logického řízení strana 27 2) Evokace Cíl aktivity Žáci si na konkrétním příkladě sami vyzkouší celý postup při řešení praktické úlohy. Zároveň se naučí pracovat s vývojovým prostředím Mosaic a obsluhovat PLC Tecomat. 140 min. Pomůcky Připravené řešení vybrané úlohy. PC s vývojovým prostředím Mosaic a s propojením na PLC Tecomat. 10. Učitel si nyní vybere jednu rozsahem jednodušší úlohu (ovládání světelné křižovatky, manipulátor s 3 4 operacemi, výtah přes tři patra apod.) a jako demonstrační příklad žákům předvede, jaké všechny kroky (etapy řešení) je potřeba realizovat pro vyřešení této úlohy, tj. stručnou analýzu problému s definicí vstupně výstupních a stavových veličin, návrh algoritmu řešení (nemusí být příliš detailní, vhodné je blokové schéma podstatných stavových změn) a jeho naprogramování v prostředí Mosaic (ukáže již hotový program). Názorně předvede, jak se tento program implementuje do PLC. Pak úlohu reálně předvede. 11. Po této demonstrační ukázce si žáci celý postup pod vedením učitele vyzkoušejí sami. Protože však většinu z toho žáci dosud nepoznali (programování v prostředí Mosaic, práce s PLC Tecomat), vysvětlí jim učitel postupně jednotlivé kroky a žáci si je hned prakticky vyzkoušejí. Učitel se přitom omezí na vysvětlení jen těch znalostí, které jsou pro zpracování úlohy opravdu zapotřebí. Pro práci s vývojovým prostředím Mosaic tak stačí žáky v této části lekce naučit pouze, jak nový projekt založit, jak definovat vstupně výstupní parametry programu a jak program naprogramovat jen s využitím potřebných příkazů. Stejně tak u PLC Tecomat popíše učitel jen ty kroky použití, které jsou pro realizaci úlohy nezbytné. 12.Pro další práci vybere učitel 1 2 příklady, které bude ještě řešit společně s žáky. Přitom jim postupně vysvětlí i další možnosti programování a obsluhy PLC Tecomat (další potřebné příkazy pro programování, ladění programu, technické parametry PLC Tecomat). Žáci tak postupně získávají potřebné znalosti k samostatné práci.

29 Doc. Ing. Libor Tůma, CSc.: Základy logického řízení strana 28 3) Uvědomění Cíl aktivity Žáci si nyní sami vyzkoušejí řešení konkrétních úloh od návrhu programu až po jeho realizaci pomocí PLC Tecomat. 500 min. Pomůcky Laboratoř logického řízení s fyzikálními nebo virtuálními úlohami. PC s vývojovým prostředím Mosaic a s propojením na PLC Tecomat. Připravená zadání na úlohy, které je možné ovládat v laboratoři pomocí PLC Tecomat. 7. Žáci si nyní samostatně procvičí získané znalosti na konkrétních úlohách. S úlohami, které budou řešit, se již setkali na začátku kurzu, kdy je učitel v úvodní lekci seznámil s obsahem a plánovanými aktivitami. Úlohy jsou jak fyzikální, tj. modely připojené k PLC Tecomat (mycí linka, výtah, portálový manipulátor), tak i virtuální (dopravní světelná křižovatka). Protože žáci mají pracovat již hlavně samostatně, jsou úlohy svým rozsahem jednodušší než ty, jež byly předvedeny v minulé části lekce (složitější úlohy by se zejména časově nezvládaly). 8. Postupně by si měli žáci vyřešit alespoň dvě úlohy. Vzhledem k větší náročnosti na zpracování může být oproti předchozím lekcím vhodné, aby žáci pracovali ve dvoučlenných skupinkách. Mohou si tak rozdělit práci (a při řešení různých úloh se vystřídat!) s programováním a s ovládáním PLC Tecomat, případně na této práci spolupracovat. Učitel sleduje jejich práci a podle potřeby jim poradí, jak postupovat dál, případně proč jejich řešení není vhodné, a jak postupovat lépe. Snahou by mělo být žákům poradit, jak mají postupovat, ne řešit úlohu za ně. Žáci se také mohou dostat do situace, že ještě neznají některé potřebné příkazy pro programování v prostředí Mosaic. Učitel by měl zvážit, zda jim přímo poradit, nebo je odkázat na připravenou literaturu (příručku programování), kde by si potřebné instrukce dohledali (jak to dělají i studenti v rámci vysokoškolské výuky). V části 5) této lekce jsou k úlohám instalovaným v laboratoři logického řízení uvedeny doplňující příklady pro řešení úloh z oblasti automatizace budov.

30 Doc. Ing. Libor Tůma, CSc.: Základy logického řízení strana 29 4) Reflexe Cíl aktivity Učitel zopakuje přínos této lekce i celého kurzu, společně s žáky diskutuje o získaných dovednostech a jejich aplikačních možnostech. 40 min. 7. Učitel nejprve zopakuje hlavní přínos této lekce, kdy si žáci vyzkoušeli komplexní řešení úlohy logického řízení od návrhu algoritmu přes jeho naprogramování s následnou implementací tohoto programu do průmyslově používaného PLC až po odladění a odzkoušení reálného provozu (fyzikální a virtuální úlohy). 8. Učitel pak shrne i celkový přínos celého kurzu, který žáky seznámil se základními prostředky kombinační a sekvenční logiky a v rámci kterého získali potřebné dovednosti pro řešení úloh logického řízení. 9. Žáci na závěr diskutují s učitelem přínos z jejich individuálního pohledu a vzhledem k možným rozdílům výuky na jejich střední škole i případné návaznosti či doplnění k předmětům, s kterými se již setkali.

31 Doc. Ing. Libor Tůma, CSc.: Základy logického řízení strana 30 5) Příklady pro řešení úloh s tematikou automatizace budov 1) Obsluha světla na chodbě tlačítkem Varianta A: Pokud je stisk kratší než 200 ms, nestane se nic. Pokud je stisk delší než 200 ms, ale kratší než 700 ms, rozsvítí se světlo na předvolenou dobu (např. 30 s). Pokud je stisk delší než 700 ms, rozsvítí se světlo trvale a k jeho vypnutí dojde dalším stiskem tlačítka. Varianta B: Pokud je stisk kratší než 200 ms, nestane se nic. Pokud je stisk delší než 200 ms, rozsvítí se světlo na předvolenou dobu (např. 30 s). Pokud v době do 500 ms od ukončení předchozího stisku dojde k opětovnému stisku tlačítka, prodlouží se doba svícení tolikrát, kolikrát k tomuto opětovnému stisku došlo. 2) Obsluha stmívaného světla jedním tlačítkem a pamětí Pokud je stisk kratší než 200 ms, nestane se nic. Pokud je stisk delší než 200 ms, ale kratší než 700 ms a světlo nesvítí, rozsvítí se intenzitou v rozsahu 0 až 100 %, kterou svítilo v době před posledním vypnutím. Pokud je stisk delší než 700 ms, rozsvítí se světlo posledně nastavenou intenzitou a tuto intenzitu bude zvyšovat předvolenou rychlostí, dokud nebude tlačítko uvolněno. V případě, že tlačítko bude drženo ještě v době dosažení 100% intenzity, dojde ke snížení intenzity na nulu a následně bude intenzita zvyšována předvolenou rychlostí až do okamžiku uvolnění tlačítka. K vypnutí světla dojde krátkým stiskem tlačítka (200 až 700 ms), hodnota intenzity se uloží do paměti. Pokud bude stisk delší, opět dojde k cyklickému zvyšování intenzity až do hodnoty 100 % a návratu na 0 %. 3) Centrální funkce Stiskem jednoho tlačítka je možné nastavovat více funkcí najednou. Například stiskem tlačítka sledování TV bude vygenerována sekvence, vedoucí k zapnutí televize, zatažení žaluzií, vypnutí hlavního světla v obývacím pokoji, vypnutí rádia a zapnutí pomocného osvětlení za televizním přijímačem na 40 %. Stiskem tlačítka noc, umístěného v 1. patře rodinného domu, dojde k vypnutí všech svítících světel v přízemí, vypnutí TV a rádia, zatažení žaluzií v přízemí a aktivaci alarmu v prostoru přízemí, omezené pouze na signály otevření oken a vnějších dveří.