20. Úvod do řízení Druhy řízení

Transkript

1 20. Úvod do řízení Řízení (angl. #1 ) je proces, kdy #2 část působí na základě vstupních informací a zpětné vazby na #3 část zařízení tak, aby se dosáhlo požadovaného cíle (požadovaného stavu řízené veličiny) Zpětná vazba (angl. #4 ) informace o stavu řízené veličiny (předávaná řídícímu systému) Pozn. Do systému také vstupují rušivé (poruchové) veličiny (např. vnější teplota), které ovlivňují řízenou veličinu Druhy řízení a) Řízení bez zpětné vazby ( #5 ): zpětnou vazbu provádí obsluha, je to nižší stupeň řízení Příklad ovládání klasického obráběcího stroje Obsluha zapne spínačem elektromotor, který pohybuje se stolem Najetí do požadované polohy zajišťuje obsluha zrakem (řídící část stroje nemá vlastní zpětnou vazbu) b) Řízení se zpětnou vazbou zařízení má vlastní (samostatnou, automatickou) zpětnou vazbu - vyšší stupeň řízení vlastní zpětná vazba umožňuje #6 - nahrazování člověka při řízení Příklad řízení CNC obráběcího stroje CNC stroj = computer numerical controlled - řízený řídícím systémem (počítačem) pracuje automaticky (samostatně) podle #7 v paměti počítače - poloha stolu se měří a řídící systém ji porovnává s cílovou hodnotou - motor se pohybuje tak dlouho, dokud se jí nedosáhne obsluha zavádí a spouští vybraný program, může si ho předem vyzkoušet ( #8 ), příp. i programuje stůl má bezpečnostní #9, které vypínají posuv na konci dráhy (např. při chybě v programu) Pozn. Řízením se zpětnou vazbou je i regulace, při které je cílem udržování požadované hodnoty řízené veličiny (viz poslední kapitola) zapis_rizeni_uvod - Strana 1 z 9

2 20.2. Druhy signálů a) Analogové ( #10 ) signály mění se plynule, mohou mít jakoukoliv hodnotu v daném rozsahu Příklad: řízení otvírání ventilů spalovacího motoru pomocí kotoučových vaček Schéma vačky Průběh spojité veličiny (zdvihu ventilu) otáčivý pohyb vačky je převáděn na přerušovaný přímočarý pohyb ventilu (přes kladičku a zdvihátko) řídící signál je dán #11 vačky, řízená veličina = #12 ventilu (jeho zdvih) b) Číslicové signály ( #13 ) #14 číselné signály, které mohou nabývat jen určitých #15 ("čísel") v rámci daného rozsahu ( #16 ) důležitou variantou pro řídící systémy je dvouhodnotový signál (zapnuto/vypnuto) = #17 signál (např. přibližovací spínače) - hodnoty jsou např. napětí 0V nebo 24V číslicové signály umožňují zpracování na #18 - ukládají se v #19 soustavě pomocí 0 a 1 (bitů a jejich skupin po osmi = bytů). Pokud je potřeba zpracovat v počítači analogový signál, musí se převést na číslicový Příklad číslicového signálu - digitální odměřování polohy A/D - Vzorkování Kvantování Princip Analogově/Digitálních převodníků ( #20 ) převádí spojitý (analogový) signál na nespojitý (číslicový) v každém časovém okamžiku je nutno přiřadit signálu #21 z dynamického rozsahu (možného rozsahu hodnot) Postup převodu: 1. #22 (sampling) měření hodnot spojitého signálu (vzorků) v pravidelném časovém intervalu (frekvenci vzorkování) 2. #23 (quantization) zaokrouhlení vzorků na nejbližší celé číslo v rámci dynamického rozsahu (rozsahu možných hodnot) Logické funkce přiřazují kombinaci binárních vstupních hodnot jedinou binární výstupní hodnotu Základní logické funkce: Logický #24 AND "a zároveň" na výstupu je logická 1 jen tehdy, je-li 1 na obou vstupech #25, elektrická realizace #26 zapojení spínačů př. spuštění lisu musí být zmáčknuta zároveň obě tlačítka (bezpečnost) zapis_rizeni_uvod - Strana 2 z 9

3 Logický #27 OR Logická #30 NOT "nebo" na výstupu je 1 tehdy, pokud je 1 #28 na jednom vstupu, el. realizace #29 zapojení př. spuštění ventilátoru ze dvou míst je sepnut buď jeden nebo druhý vypínač mění 1 na 0 a naopak ( #31 signál), el. realizace #32 kontakt (sepnutím spínače se rozpojí kontakt) př. řízení posuvu (viz výše) stůl pojede, když není na koncáku (funkce NOT) a zároveň obsluha zmáčkne posuv Pravdivostní tabulky logických funkcí: AND OR NOT a a a 0 1 b b a AND b a OR b NOT a Realizace logických funkcí: AND OR NOT Pozn. vstup = tlačítko (zmáčknuté 1, nezmáčknuté 0), výstup = žárovka Způsob naprogramování Hardwarové řízení v pneumatice Softwarové řízení v pneumatice a) Hardwarové řízení (řízení programované propojováním) funkce zařízení je dána použitými prvky a jejich #33 - používá se pro jednoúčelová zařízení změny funkce lze dosáhnout jen změnou prvků nebo jiným propojením např. mechanická, reléová, pneumatická, hydraulická řízení b) Softwarové řízení (řízení programované do paměti) funkce zařízení je dána #34 v paměti řídícího systému změny funkce se dosáhne změnou programu v paměti mnohem výhodnější - zařízení je víceúčelové zapis_rizeni_uvod - Strana 3 z 9

4 20.5. Regulace Regulace je druh řízení, kdy se #35 řízená (regulovaná) veličina na požadované #36 (přesněji v požadovaných mezích) pomocí vlastní zpětné #37 zařízení Příklady regulace regulace teploty regulace kompresorů #38 regulace - nastavovací (akční) veličina má jen hodnoty zapnuto/vypnuto - např. bimetalový termostat regulace na proměnnou hodnotu - regulace teploty podle časového plánu, který je realizován elektronickým termostatem s nastaveným #39 (nižší teplota v noci, vyšší přes den) udržování tlaku - při dosažení maximálního tlaku v zásobníku se tlakovým spínačem #40 pohon kompresoru, při poklesu tlaku pod minimální tlak se pohon kompresoru tlakovým spínačem #41 regulace hladiny Slovník - úvod do řízení 1 řízení bez zpětné vazby 2 stroj řízený počítačem nastavovací veličina zdvih šoupátka přenášený pákou od plováku (snímače) 3 udržování požadované hodnoty veličiny (např. tlaku, teploty) 4 spojitý signál je jinak signál 5 dvojstavový signál je jinak signál 6 digitální signál je jinak signál 7 rozsah možných hodnot u digitálního signálu je rozsah 8 pro převody z analogového na digitální signál nebo naopak slouží 9 na výstupu je logická 1 jen tehdy, je-li 1 na všech vstupech - toto je funkce logický 10 na výstupu je logická 1 jen tehdy, je-li 1 alespoň na jednom vstupu - toto je funkce logický 11 elektrická realizace logického součinu (AND) je zapojení 12 elektrická realizace logického součtu (OR) je zapojení Křížovka č.1 Rozsah možných hodnot u digitálního signálu je rozsah: Elektrická realizace logického součtu (OR) je zapojení: Na výstupu je logická 1 jen tehdy, je-li 1 na všech vstupech - toto je funkce logický: Pro převody z analogového na digitální signál nebo naopak slouží: Dvojstavový signál je jinak signál: Udržování požadované hodnoty veličiny (např. tlaku, teploty): Na výstupu je logická 1 jen tehdy, je-li 1 alespoň na jednom vstupu - toto je funkce logický: Elektrická realizace logického součinu (AND) je zapojení: U N U É O N L Í zapis_rizeni_uvod - Strana 4 z 9

5 21. Řídící systémy v automatizaci Řídící systémy (ŘS) jsou elektronická zařízení určená k řízení #56 nebo #57 (výrobních procesů) pracují podle určitého #58, který je uložen v #59 a je cyklicky (opakovaně, pořád dokola) prováděn #60 (změny funkce řídícího systému se dosáhne změnou programu v paměti) procesor v reálném čase zpracovává #61 signály a podle nich nastavuje #62 signály (důležitá je rychlost reakce na vstup) Schéma umístění ŘS Rozdělení řídících systémů Vstupy řídícího systému jsou povely #65 (operátora) vč. zavedení programu (naprogramování) #66, koncové spínače, scannery, kamery - poskytují informace o stavu stroje nebo procesu ( #67 ) Výstupy řídícího systému jsou informace o průběhu řízení pro zobrazení na #68 panelu signály pro ovládací prvky ( #69, frekvenční měniče, zesilovače) akčních členů ( #70 ) Osobní počítač PC = #71 computer - je kompatibilní ( #72 ) s platformou Microsoft+Intel (Wintel) je primárně určen pro všeobecné #73 použití - obsluha s ním pracuje interaktivně, aplikace #74 časově kritické Schéma hardware Vrstvy software zapis_rizeni_uvod - Strana 5 z 9

6 zapis_rizeni_uvod - Strana 6 z Hardware Části PC: 1 case #75 s plechovou konstrukcí pro uchycení součástí PC, také základní jednotka, velikost je dána typem MB provedení: stolní ( #76, tower), přenosný #77, tablet 2 MB motherboard = #78 deska - různé velikosti - standard ATX 3 CPU #79 - x86 kompatibilní - vykonává instrukce programu (strojový kód), má určitou vnitřní stavbu (architekturu) dělí se podle velikosti zpracovávané informace (8-64bitové), frekvence v #80, má vyrovnávací paměť ( #81 ), napojuje se na MB do #82 (typ konektoru), chladí se chladičem s větrákem Výrobci: #83 - řada Core i3-i7, AMD 4 chipset #84 sada - integrované obvody pro komunikaci procesoru s ostatními prvky, napojenými přes #85 (bus), rozděluje se na tzv. můstky 5 RAM, ROM 6 #90 karta RAM - operační #86 pro prováděné programy a aktuální data, #87 napájení (po vypnutí PC ztrácí obsah), parametry - kapacita v #88, frekvence ve stovkách MHz ROM - #89 napájení - flash - paměť pro BIOS napojená do #91 (typ konektoru) na sběrnici PCI-Express (dříve AGP), bývá #92 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 7 další karty na sběrnici PCI-Express (dříve PCI) - např. #93 (Ethernet pro LAN - lokální drátovou síť - kabely = kroucené dvoulinky), #94 8 SATA sběrnice pro vnější paměťová zařízení (dříve IDE) - magnetické HDD ( #95 ), flash SSD, #96 mechaniky DVD, Blu-Ray 9 USB univerzální #97 sběrnice pro #98 (vstupní a výstupní zařízení - klávesnici, myš, tiskárnu, scanner, kameru) a externí paměti - flash disky 10 ostatní porty 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 #99, chladí se ventilátorem, #100 ve stovkách W Software Vrstvy software (odpovídají pořadí zavádění po spuštění PC): BIOS základní systémový software ( #101 ) pro inicializaci ( #102 nastavení) hardwaru a zavedení OS, je uložen v paměti flash, nastavuje se programem Setup OS #103 systém (8-64bitová verze) - zajišťuje hlavně uživatelské #104 (GUI - grafické, dříve textové - příkazový řádek) pro spouštění aplikací a #105 dat na vnějších pamětech (soubory, složky)

7 OS aplikace Microsoft #106 XP, Vista, 7, Server typ #107 - Linux (open source - dostupný programový kód), Mac OS X komerční (textové a tabulkové editory, databáze, prezentace), grafické editory, prohlížeče, komunikace, antiviry,... #108 - software zadarmo Vlastnosti Výhody: velká rozšířenost, jsou #109 díky hromadné výrobě, #110 (z hlediska řízení je to nevýhoda) #111 uživatelské prostředí (OS Windows) - vysoký uživatelský komfort (použití často jako vzdálené operátorské rozhraní) Nevýhody (z hlediska řízení v průmyslových podmínkách): #112 - malá odolnost vůči rušení, prachu, vibracím (malá robustnost) #113 vhodné průmyslové vstupy/výstupy OS MS Windows není určen k řízení v #114 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 - #115 ) nemožnost vestavby do průmyslových skříní (rozvaděčů - tzv. #116 ) Průmyslový počítač IPC, IC = #120 PC - PC přizpůsobené pro průmyslové použití Je odolný ( #121, "heavy duty") vůči nárazům a #122, elektromagnetickému rušení (kryt), nízkým a vyšším teplotám, předpoklad chodu 24 hod. denně Má vyšší stupeň #123, který udává odolnost zařízení proti vniknutí cizího tělesa (i prachu) nebo vniknutí kapalin Hardware: základní jednotka monitor #124 se do průmyslových policových systémů (skříní, rozvaděčů) - většinou 19" racků, také vestavba do strojů - např. řídící panel CNC má #125 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 #126 také existuje přenosné provedení ve formě notebooku v kovovém kufříku - použití v terénu - také pro armádu, hasiče, policii odolný proti tekutinám, vibracím, často má #127 displej, případně může být místo monitoru jen informativní displej provedení #128 PC - v jedné skříni je monitor a zároveň základní jednotka #129 klávesnice kvůli zabránění průniku nečistot, tekutin (příp. bez klávesnice) zapis_rizeni_uvod - Strana 7 z 9

8 Další vlastnosti: Použití #130 panely např. u CNC strojů, #131 dat v průmyslovém prostředí, #132 (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 #133 computers) možnost rozšíření vstupů a výstupů nasunutím dalších desek ( #134 ) do připravených konektorů operační systém typu #135 - programovat je lze přes PC nebo přímo - běžné programovací jazyky C, Python Použití - přes #136 zpracování hodnot tlačítek, snímačů polohy, teploty, světla, přes #137 ovládání světel, serv, krokových motorů Hlavní zástupci - #138, Raspberry Pi Raspberry Pi - schéma částí 1 #139 + grafický procesor + operační paměť 2 IO = vstupy/výstupy 3 stálá paměť ( #140 ) 4,5 USB, LAN Jednočipové mikropočítače 6 výstupy obraz, zvuk 7 #141 jsou počítače v podobě #142 obvodu (čipu) mají podobu obdélníkového pouzdra s kontakty ("nožkami") - tzv. #143 také se říká mikrokontroléry (MC, MCU, µc), mikrořadiče, #144 vlastnosti - kompaktnost, spolehlivost, jednoduchost, malé rozměry, nízká spotřeba, nízká cena Použití pro řízení elektrozařízení formou #145 systémů (viz dále) Schéma jednočipového mikropočítače 1 #146 4, 8, 16 a 32-bitový 2 #147 flash pro program a operační pro data (RAM) - velikost ve stovkách kb 3 #148 hodiny - zdroj taktovacího signálu pro řízení mikroprocesoru - piezokrystal 4 I/O #149 vstupně/výstupní rozhraní - bývá jich podle potřeby i více než 100 a) vstupy ( #150 ) - pro signály z tlačítek, snímačů, mohou obsahovat i A/D převodníky zapis_rizeni_uvod - Strana 8 z 9

9 4 I/O b) výstupy ( #151 ) - pro signály akčním členům, světelnou a zvukovou signalizaci, mohou mít i D/A převodníky c) #152 - pro napojení obslužného panelu - klávesnice, displeje 5 #153 panel Další části: #155 #156 #157 Činnost: a) zobrazovací jednotka výstupních informací ( #154 ) 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, #158 mikropočítač a program běží od začátku Pracují podle jediného programu, který je prováděn #159 (dokola) - zpracovává vstupy a nastavuje výstupy Programují se pomocí #160 propojeného s deskou obsahující na plošném spoji mikropočítač a rozšiřující paměti (tzv. vývojový systém) Programovací jazyk bývá #161 kód, assembler, jazyk C Výrobci - Intel, Microchip, Atmel Vestavěné systémy (Embedded systems) jsou zařízení, která mají v sobě zabudovaný řídící počítač - je součástí elektroniky zařízení jsou #162 pro dané zařízení ("ušité na míru") využívají se jednočipové nebo jednodeskové počítače, #163 integrované obvody Požadavky - často spolehlivý nepřetržitý provoz ( #164 ), autodiagnostika poruch, malá spotřeba, dálková správa, odolnost proti virům Použití - inteligentní elektronické výrobky vyráběné ve #165 sériích - chytré mobily, přehrávače, domácí elektrospotřebiče, periferie PC, dopravní technika (autopilot), zabezpečovací zařízení Budoucnost - #166 (IoT = Internet of Things) - inteligentní (smart) zařízení připojená do počítačové sítě (zejm. bezdrátově) s možností jejich komunikace a spolupráce Opakování úvodu do řídících systémů 1 základní jednotka PC (skříň s plechovou konstrukcí pro uchycení součástí) 2 motherboardu v PC se říká deska 3 zkratka pro operační paměť v PC (vyžaduje napájení) 4 karta v PC s konektorem pro připojení monitoru je karta 5 zkratka pro univerzální sériovou sběrnici v PC 6 zkratka pro základní systémový software v PC (firmware) 7 operační systém jiný než Windows 8 průmyslová policová skříň pro IPC (rozvaděč) 9 počítač v podobě integrovaného obvodu je jednočipový 10 zdroj časovacího signálu u jednočipových mikropočítačů 11 funkce "hlídací pes" u jednočipového mikropočítače zapis_rizeni_uvod - Strana 9 z 9