LOGICKÉ SYSTÉMY PRO ŘÍZENÍ

Transkript

1 ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická LOGICKÉ SYSTÉMY PRO ŘÍZENÍ Doc. Ing. Jiří Bayer, CSc Dr.Ing. Zdeněk Hanzálek Ing. Richard Šusta 2000 Vydavatelství ČVUT

2 Předmluva Skriptum Logické systémy pro řízení je určeno pro studenty oboru Kybernetika a měření, ale může sloužit jako učební text i pro jiné obory v oblasti návrhu a realizace logických systémů a logického řízení v rámci celofakultní nabídky. Logické systémy pro řízení pokrývají tři základní oblasti: logické systémy, logické řízení a realizaci logických obvodů a řízení. Úmyslně v názvu předmětu a také těchto skript je slovo "řízení" proto, aby bylo na první pohled jasné, že probíraná látka není samoúčelným popisem logických systémů, ale ucelenou oblastí s vazbou na aplikační sféru řízení systémů s diskrétním parametrem. A těch je převážná většina. Tato oblast řízení je vedle spojitého řízení základním kamenem všech systémů ovládání a řízení. U logického řízení se mluví o technologickém procesu t.j. objektu, který máme popsat nebo řídit. Technologickým procesem může přitom být jakýkoli proces od technických až po společenské, které splňují požadavky kladené na systémy s diskrétním parametrem. Skriptum je problémově členěno do pěti částí. První část (kap.2) se zabývá obecným popisem a návrhem logických systémů, která dává ucelený pohled na popis a syntézu kombinačních a sekvenčních logických obvodů. Druhá část (kap.3) se věnuje praktické realizaci logických obvodů jak klasickými integrovanými obvody tak i programovatelnými obvody LSI. Tato část v sobě zahrnuje také řadu praktických pravidel, jak zdárně realizovat připojení logického obvodu k řízenému procesu. Třetí část (kap.4) se zabývá logickým řízením technologického procesu, jeho popisem, formulací cílů řízení a návrhem vlastního algoritmu řízení pro řídicí automat. Čtvrtá část (kap.5) popisuje realizaci řídicích automatů, jejich strukturu, vlastnosti a způsob realizace algoritmu řízení. Zvláštní pozornost je věnována volně programovatelným automatům PLC, které jsou v současné době jedním z nejvíce používaných prostředků průmyslového řízení (kap.6). Pátá část (kap.7) se zabývá moderními programovými prostředky pro popis logických systémů a logického řízení ( Petriho sítě, Grafcet ), které v poslední době nabývají rozsáhlého uplatnění nejen v teoretických oblastech ale také i v průmyslové praxi. Autoři jsou si vědomi, že toto skriptum představuje, vzhledem k povolenému rozsahu, v řadě případů pouze úvod do široké problematiky a proto pro hlubší studium odkazují na další literární prameny. Kapitoly 1-5 zpracoval Doc.Ing. Jiří Bayer,CSc, kapitolu 6 zpracoval Ing. Richard Šusta a kapitolu 7 Dr.Ing. Zdeněk Hanzálek. Závěrem autoři děkují všem, kteří se na tvorbě učebního textu podíleli, a budou vděčni uživatelům skripta za připomínky, které přispějí ke zkvalitnění textu v jeho dalších modifikacích a vydáních. Autoři přejí hodně úspěchů při studiu těm, kteří jej hodlají použít ať již pro získání nebo doplnění svých vědomostí. A toto v návaznosti na potřeby praxe si autoři kladli za cíl především. Praha, prosinec 1999 Autoři Lektor: Doc.Ing. Zdeněk Malec,CSc Jiří Bayer, Zdeněk Hanzálek, Richard Šusta ISBN

3 Obsah 1. Úvod 1 2. Logické systémy Logická funkce a její vyjádření Boolská algebra Formy popisu logické funkce Minimalizace logických výrazů Realizační prvky Kombinační logické systémy Syntéza kombinačních logických obvodů Symetrické funkce Obvody typu XOR Hradlové struktury Dekompozice kombinačních logických funkcí Hazardy v kombinačních logických obvodech Příklady Sekvenční logické systémy Konečný automat jako matematický model sekvenčního systému Formy popisu chování automatu Sekvenční zobrazení Minimalizace množiny vnitřních stavů automatu Režimy činnosti automatu Syntéza sekvenčních logických obvodů Syntéza asynchronních sekvenčních logických obvodů jako kombinační síť se zpětnou vazbou Základní časový diagram, stavy, tabulka přechodů, graf přechodů Redukce stavů Kódování vnitřních stavů Mapy vnitřní funkce ( δ zobrazení) Mapy výstupní funkce ( ω zobrazení) Hazardy Příklady Syntéza asynchronních sekvenčních logických obvodů se zvláštním zpožděním Syntéza sekvenčních logických obvodů s použitím paměťových členů Syntéza sekvenčních logických obvodů s pulsním vstupem Syntéza synchronních sekvenčních logických obvodů Syntéza sekvenčních logických obvodů řízených hodinovým signálem Synchronní sekvenční logické obvody řízené hodinovým signálem Asynchronní sekvenční logické obvody řízené hodinovým signálem 92 I

4 3. Realizace logických obvodů Logické obvody TTL Parametry, charakteristiky Vznik a odstranění rušení Obvody pro úpravu vstupních signálů Obvody pro úpravu výstupních signálů Obvody pro přenos dat Monostabilní KO Generátory pulzů Kombinační logické obvody Syntéza kombinačních logických obvodů obvody MSI, LSI Použití MPX Použití dekóderů (DMPX) Použití permanentních pamětí Sekvenční logické obvody Čitače Děliče frekvence Vyrovnávací paměti Posuvné registry Programovatelné děliče frekvence Syntéza sekvenčních log. obvodů obvody MSI, LSI Použití multiplexerů Použití dekodérů Použití posuvných registrů a čitačů Použití pamětí Logické obvody CMOS Návrh a realizace elektron. systémů programovatelnými obvody Polozákaznický obvod - PLD Obvody GAL Obvody plsi a isplsi Obvody XILINX Obvody EPLD Obvody FPGA Logické řízení Technologický proces Konečněautomatový model technologického objektu (procesu) Algoritmus vývoje technologického objektu Rekonstrukce stavů Dekompozice technologického objektu Řízení technologického objektu Direktivní řízení Zpětnovazební řízení Konvenční logické řízení technologického objektu Realizace řídících automatů Paralelní řídící automaty Pevně naprogramované řídicí automaty Návrh programovatelného řadiče Přeprogramovatelné řídicí automaty Realizace mikroprogramového řadiče Seriové řídící automaty Řídící počítače Volně programovatelné automaty Boolské procesory 223 II

5 6. Programovatelné logické automaty Úvod Základní pojmy PLC Požadavky na obvodové řešení Principy činnosti PLC Interní architektura PLC Přerušení v PLC Vstupy a výstupy Logické adresy Základní principy PLC programů Žebříčkové diagramy Logické diagramy Přídržný kontakt Detekce náběžné hrany Podprogramy a skoky Petriho sítě a Grafcet Petriho sítě Základní názvosloví Pravidla pro změnu stavu systému Příklady modelování synchronizovanou Petriho sítí Formální definice autonomních Petriho sítí Vlastnosti Petriho sítí Časované Petriho sítě Interpretované Petriho sítě Grafcet Základní koncepce Paralelismus a synchronizace Výběr a spojení Pravidla pro tvorbu Grafcetu Akce spojené s kroky Podmínky přechodu a jejich vyjádření Strukturovací prostředky Grafcetu Srovnání Grafcetu a Petriho sítí Závěr Literatura 269 III

6 Program přednášek týden program 1 Logická funkce, logický obvod. Kombinační logické systémy. Syntéza kombinačních logických obvodů, hazardy. 2 Sekvenční logické systémy. Syntéza asynchronních sekvenčních logických obvodů jako kombinační sítě se zpětnou vazbou. 3 Sekvenční logické systémy s klopnými obvody. Syntéza úrovňových, impulzních a synchronních sekvenčních logických obvodů. 4 Prostředky realizace logických systémů, realizační soustava TTL, MOS. Realizace kombinačních a sekvenčních logických systémů. 5 Zákaznické a polozákaznické logické obvody. Realizace kombinačních a sekvenčních logických systémů obvody PLD. 6 Řadič logického řídicího systému. Návrh programovatelného řadiče. Mikroprogramové automaty. 7 Boolský procesor, programovatelné automaty PLC. Struktura, vlastnosti a programování PLC. 8 Teorie automatů. Konečný automat jako matematický model obecného logického systému. Prostředky a problémové oblasti. 9 Logické řízení a technologický proces. Identifikace, zápis algoritmů, formulace cílů řízení, syntéza řízení. 10 Profesionální prostředky logického řízení - PLC. Vstupní a výstupní strana, programové prostředky. 11 Grafcet a jeho použití k popisu algoritmu řízení technologického procesu. Programování PLC 12 Petriho sítě. Formální popis systémů diskrétních událostí, simulace procesu, interpretace algoritmu řízení. 13 Časové a barevné Petriho sítě a jejich použití pro popis, simulaci a řízení technologického procesu. 14 Mikropočítačové prostředky logického řízení. Struktura systému, vlastnosti a použití. Příklad implementace. Literatura : Bayer,J., Hanzálek,Z., Šusta,R.: Logické systémy pro řízení, vydavatelství ČVUT, Praha 2000 Bayer,J.,Šimek,T.: Elektronické systémy II - přednášky, skripta ČVUT, Praha 1996 Bayer,J. a kol.: Elektronické systémy II - cvičení, skripta ČVUT, Praha 1992 Bayer,J., Bílek,J.: Návrhy řídicích systémů I - přednášky, skripta ČVUT, Praha 1987 Douša,J., Jáneš,V.: Teorie automatů, skripta ČVUT, Praha 1988 Frištacký,N. a kol.: Logické systémy, SNTL, Praha 1986 Bokr,J. a kol.: Logické řízení technologických procesů, SNTL, Praha 1987 Booth T.L.: Sequential Machines and Automata Theory, John Wiley & Sons, NY 1967 IV

7 Program cvičení: týden typ program 1 TEO Úvod, bezpečnost, organizace, zadání úloh 2 TEO Ukázky návrhu logických obvodů 3 LAB Kombinační obvod 4 LAB Synchronní obvod 5 LAB Asynchronní obvod I. 6 LAB Asynchronní obvod II. 7 TEST Návrh asynchronního obvodu, zadání úloh 8 TEO Automat pomocí řadiče, PLC a GALu 9 LAB Řadič automatické pračky I. 10 LAB Řadič automatické pračky II. a PLC 11 LAB Automat realizovaný pomocí PLC 12 LAB Vlastní návrh a odzkoušení GALu I. 13 LAB Vlastní návrh a odzkoušení GALu II. 14? Zápočet, náhradní test. Literatura : Bayer,J., Hanzálek,Z., Šusta,R.: Logické systémy pro řízení, vydavatelství ČVUT, Praha 2000 Bayer,J. a kol.: Elektronické systémy II - cvičení, skripta ČVUT, Praha 1992 Bayer,J., Bílek,J.: Návrhy řídicích systémů I - přednášky, skripta ČVUT, Praha 1987 Frištacký,N. a kol.: Logické systémy, SNTL, Praha 1986 Podmínky zápočtu : Zkouška: Účast na cvičení, úspěšný výsledek testu, znalosti, min 50% z maximálního počtu 40 bodů dosažitelných ve cvičení Zkouška je písemná a skládá se ze dvou částí: 1.část - řešení sekvenčního logického obvodu 2.část - 8 otázek, max 5 bodů/ot t.j max 20 bodů max 40 bodů Maximální počet bodů této písemné zkoušky je 60. Z této písemné části je nutné získat min 30 bodů. Hodnocení předmětu: Skládá se z podílu za cvičení - max 40 (min 20) za písemnou část zkoušky - max 60 (min 30) Přiřazení hodnocení: 1: : : : <50 V

8 POŽADAVKY KE ZKOUŠCE: 1 Logické řízení, logický řídicí systém, základní problémy 2 Teorie automatů - základní problémy a prostředky 3 Logický systém, struktura logického systému 4 Kombinační logický systém 5 Sekvenční logický systém 6 Logická funkce, boolská funkce, logický výraz 7 Boolská algebra, základní axiomy a zákony 8 Formy popisu logické funkce - tabulka, výraz, seznam indexů, mapa, krychle 9 Minimalizace logických výrazů - v mapě, Quine, skupinová 10 Syntéza kombinačních logických obvodů 11 Realizace víceúrovňových logických sítí 12 Symetrické logické funkce - prahová, majoritní 13 Hradlové struktury logických sítí 14 Dekompozice kombinačních logických funkcí - formální (rozklady) a funkční 15 Hazard v kombinačních log. obvodech - funkční, logický, dynamický 16 Konečný automat jako model sekvenčního systému, Moore, Mealy 17 Formy popisu chování automatu - tabulka, graf, matice přechodů 18 Sekvenční zobrazení a interpretace automatem Moore a Mealy 19 Minimalizace množiny vnitřních stavů automatu 20 Režimy činnosti automatu - asynchronní, impulsní, synchronní 21 Fundamentální režim funkce automatu 22 Syntéza sekvenčních logických obvodů - obecný postup 23 Syntéza asynchronních sekvenčních log. obvodů jako kombinační sítě se zpětnou vazbou 24 Minimalizace počtu vnitřních stavů 25 Kódování vnitřních stavů, přímé kódy, multikódy 26 Hazardy v asynchronních sekvenčních log. obvodech a jejich odstranění 27 Syntéza asynchronních sekvenčních log. obvodů se zvláštním zpožděním 28 Syntéza asynchronních sekvenčních log. obvodů s použitím paměťových členů 29 Syntéza asynchronních sekvenčních log. obvodů s pulzním vstupem 30 Syntéza synchronních sekvenčních log. obvodů 31 Syntéza sekvenčních log. obvodů řízených hodinovým signálem - synchronní, asynchronní 32 Prostředky realizace kombinačních a sekvenčních log.obvodů. Minimální soubor logických funkcí 33 Druhy log. obvodů z hlediska jejich vnitřní struktury (DTL, RTL, TTL) 34 Parametry log. obvodů TTL - varianty N, L, LS, S, dělení podle složitosti (SSI, MSI, LSI, VLSI) 35 Vznik a odstranění rušení v zařízení s obvody TTL 36 Dlouhé vedení a odstranění rušení. Způsoby zajištění větší šumové imunity 37 Obvody třístavové a s otevřeným kolektorem. Vlastnosti a použití 38 Úprava a tvarování vstupních signálů z čidel 39 Úprava výstupních signálů pro výkonovou zátěž. Výstupní členy 40 Kódy a kódování. Kodéry, dekodéry, převodníky kódů. Paritní detektory 41 Použití IO TTL v aritmetických obvodech 42 Logické a aritmetické komparátory čísel 43 Multiplexery a demultiplexery. Použití při realizaci kombinačních log. sítí 44 Syntéza kombinačních log. obvodů s obvody MSI a LSI - MPX, DMPX, paměti 45 Monostabilní klopné obvody s IO TTL, obvody pro tvarování nebo zpoždění pulzu 46 Astabilní klopné obvody, generátory pulzů 47 Pevné a programovatelné děliče frekvence 48 Klopné obvody SR, JK, D, vyrovnávací paměti 49 Čitace, asynchronní, synchronní, paralelní a seriový přenos, vzájemné řazení 50 Posuvné registry 51 Syntéza sekvenčních log. obvodů s obvody MSI a LSI - MPX, DMPX, registry, čitače, paměti 52 Logické obvody CMOS - vlastnosti VI

9 53 Realizace logických sítí zákaznickými a polozákaznickými obvody - PLD 54 Technologický proces a jeho konečněautomatový model 55 Algoritmus vývoje technologického objektu, způsoby popisu 56 Identifikace technologického objektu 57 Rekonstrukce stavů technologického objektu 58 Dekompozice technologického objektu 59 Řízení technologického objektu, algoritmus řízení, řídicí automat 60 Direktivní a zpětovazební řízení 61 Vztah algoritmu řízení a vývojového diagramu 62 Seriová a paralelní realizace řídicích automatů 63 Řadič řídicího systému (autonomní, se stavovou informací, s instrukčním registrem) 64 Návrh podmínkového řadiče 65 Mikroprogramový řadič 66 Programovatelné automaty PLC 67 Boolský procesor 68 Vstupní a výstupní strana programovatelného automatu 69 Realizace řídicích systémů mikropočítačem 70 Mikropočítač 8051 a jeho použití pro logické řízení 71 Grafcet a jeho použití pro programování PLC 72 Petriho sítě a jejich použití pro programování PLC VII