PLC hardware - ELE Autoři: Ing. Josef Kovář Ing. Zuzana Prokopová Ing. Ladislav Šmejkal, CSc. Partneři projektu: Rostra s.r.o. Trimill, a.s. Výukový materiál byl vytvořen v rámci projektu Implementace programování PLC automatů dle evropské normy IEC 61 131 do výuky žáků středních škol, reg. č. CZ.1.07/1.1.08/01.0016. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
PLC hardware ELE -2-1 V úvodu trochu historie PLC u nás První závod na výrobu slaboproudých zařízení v ČSR byl založen bratranci Prchalovými v květnu 1919 později Tesla Kolín. Jednalo se o podnik na řemeslnou výrobu propojovacích kolíků a svírek k telefonním ústřednám pro československou poštu. Vzhledem k tomu, že se oba zakladatelé a jediní zaměstnanci i nadále orientovali na státní zakázky ( armáda, dráhy), jejich podnik prosperoval a úspěšně se rozrůstal. Dvacet let po založení podniku stoupl počet zaměstnanců na 500. Hlavní náplní byla výroba telefonů + příslušenství, zabezpečovací hradlová zařízení pro ČSD, elektrotechnické součástky (kondenzátory), později zbrojní výroba ( polní telefonní přepojovače, hrdelní mikrofony, odrušovací filtry, odpalovací relé, radiostanice, radiokompas apod.). Na sklonku války firma zaměstnávala až 1 200 lidí, ale po válce je továrník Prchal donucen k odchodu, podnik znárodněn. V roce 1966 je zahájen vývoj řídicích systémů (dále ŘS) pro číslicové řízení obráběcích strojů. První ŘS druhé generace se jmenoval ANS ( analogovo-numerický systém). Část jeho logiky již byla řešena elektronickými obvody sestavenými z diskrétních součástí (z germaniových tranzistorů, diod a pasivních součástek na jednovrstevném spoji). Médiem pro vstup programu byla děrná páska, k měření polohy byl použit absolutní kontaktní snímač. Postupně byly vyráběny další systémy, již na bázi Obr.1: Pohled na oživovací pracoviště systémů NC PPS-4 křemíkových polovodičových součástek. Byly to např. IFS (impulsně fázový systém, selsynové snímače), PPS (pravoúhlý přírůstkový systém, rotační inkrementální senzory). Problémem všech těchto systémů byly až stovky modulů, které bylo nutné propojit až tisíci pájených spojů. V polovině 70. let jsou v podniku Tesla Kolín vyvíjeny a vyráběny i spojité systémy, které umožňují řízení pohybu stroje po spojité dráze. Obr.2: Spojitý NC systém NS-470 bloky kotoučových přepínačů ve střední části panelu sloužily k zadávání údajů o korekci nástroje, jejich výhodou bylo, že zastávaly funkci vstupního zařízení a současně paměti a indikátoru zadaného údaje.
PLC hardware ELE -3- Ve druhé polovině 70. let je zahájen vývoj prvních systémů CNC (Computer Numeric Control systém pro řízení obráběcích strojů). Základem je zabudovaný počítač nebo mikroprocesor. Jeho program ( zabíral 48 KByte paměti EPROM, napsán v Assembleru), realizuje většinu funkcí systému. Centrální jednotku systému CNC tvořil specializovaný procesor, řešený jako mikroprogramový řadič. Emuloval všechny funkce osmibitového mikroprocesoru Intel 8080, ale soubor instrukcí měl rozšířený o výkonné aritmetické instrukce, takže nebylo nutné používat přídavný aritmetický koprocesor. Postupně v podniku Tesla Kolín vznikly varianty systémů CNC, použitelné pro řízení většiny obráběcích strojů domácí produkce. V téže době byl zahájen i vývoj programovatelných automatů (PLC). První typy byly řešeny s mikroprogramovým řadičem, pozdější typy již měly mikroprocesory a polovodičové paměti. K programování PLC byl používán programovací přístroj. Obr.4: NS-660 je prvním a velmi úspěšným systémem CNC Tesla Kolín (bylo vyrobeno více než 1000 kusů) Obr.3: Programovací přístroj NS-951 pro typ NS-905 V roce 1989 je dokončen vývoj prvního programovatelného automatu v kompaktním provedení Tecomat NS-940. Programuje se z příručního přístroje a vyznačuje se velmi širokým a výkonným souborem instrukcí. Po roce 1990 je podnik Tesla Kolín transformován na akciovou společnost a postupně privatizován. Z životaschopných divizí vznikají samostatné firmy např. Elmech, Tespon, ETK, Teco ( nový výrobce Tecomatu NS-940), zbytek v likvidaci následně zaniká. Důvodem zániku bylo jednak náhlé zhroucení sovětského impéria, kam dosud směřovala většina produkce ( např. programovatelné automaty NS-915), jednak zhroucení průmyslové výroby v celém Československu. Mezi nejnovější produkty firmy Teco patří modulární systém Tecomat TC700 a kompaktní systém Tecomat Foxtrot, ze softwaru pak vývojový systém Mosaic a vizualizační systém Reliance.
PLC hardware ELE -4-2 Automatizace ve všech oborech Automatizační technika prošla v poslední době bouřlivým vývojem, jak z pohledu součástkové základny a prostředků, tak z pohledu poznání, aplikované teorie a metodiky aplikací. Radikálně se změnily i technické prostředky pro vývoj a tvorbu aplikací. Osobní počítače a systémy pro automatické navrhování a projektování jsou dnes zcela běžné ve většině oborů. Dnes není automatizace něčím unikátním, co je výsadou drahého komfortu rozsáhlých výrobních linek a náročných technologických procesů. Kvalitní a inteligentní řízení je dostupné i pro obyčejné stroje, pomocné mechanismy a technologická zařízení ve všech oborech. S inteligentní automatizační technikou se běžně setkáváme v nevýrobní automatizaci", zejména v malé energetice" a v technice budov (kde přináší značné úspory). Obtížně bychom hledali obor, kde není automatizační technika využívána. Prostředky, které byly donedávna výsadou složitých řídicích systémů (např. mikrořadiče, fuz-zy prvky), dnes nacházíme ve výrobcích spotřebního charakteru, třeba v regulátorech pro kvalitní vytápění bytů a rodinných domků, v automobilech, telefonech a faxech, v automatických pračkách, myčkách nádobí, sporácích, vysavačích a v dalších přístrojích pro kuchyňskou a domácí automatizaci. Setkáváme se s nimi ale i v holicích strojcích, kamerách nebo v hračkách. 2.1 Počítače v automatizaci Neodmyslitelnou součástí automatizační techniky je výpočetní technika. Osobní počítače jsou dnes běžnou součástí našeho života. V automatizovaných systémech slouží obvykle jako standardní vybavení velínů a dispečerských pracovišť, ale i jako pracoviště pro servis a seřizování, pro monitorování technologického procesu a dokumentování jeho průběhu, pro sledování kvality, spotřeby energie a surovin, pro dokumentování přítomnosti a zásahů obsluhujících. S vyspělou automatizační technikou se tak setkává nejenom obslužný personál, seřizovači a údržbáři, ale i technologové, energetici, kvalitáři, mnohdy i vedoucí, ekonomové, někdy i právníci (např. při řešení sporu o reklamaci nebo o zavinění havárie či jiné ztráty). Průmyslové počítače (IPC, IC) se někdy používají při přímém řízených strojů a technologií, někdy jen v roli inteligentního operátorského panelu nebo komunikačního adaptéru. Problémem při jejich nasazování je vysoká cena. Jsou tedy účelné jen tam, kde je zdůvodněna, zejména při archivaci a zpracování velkých objemů dat, při využití obrazovky a standardního počítačového ovládání, při využívání standardních programových produktů, při využívání výkonných komunikací, při řešení geometrických a jiných výpočetně náročných úloh. Zcela novou kategorii řídicích systémů představují počítačové systémy soft PLC". Někdy se setkáváme s přímým řízením technologických procesů standardním PC, mnohdy umístěným přímo v technologii. Toto řešení je přinejmenším riskantní a diskutabilní. Běžný počítač kategorie PC je produkt spotřební elektroniky a je konstruován pro povoz v prostředí domácností, laboratoří a kanceláří, kde obvykle funguje s vyhovující spolehlivostí. V drsných průmyslových podmínkách mnohdy selhává (bývá málo spolehlivý, je citlivý na rušení a přepětí, nemá potřebnou životnost). Problémy vznikají už s pouhým připojením většího počtu vstupních a výstupních vodičů a s jejich odrušením. 2.2 Začlenění PLC do procesu Na binární (dvouhodnotové vstupy) se připojují tlačítka, přepínače, koncové spínače a jiné snímače s dvouhodnotovým charakterem signálu (např. čidlo dotyku nebo přiblížení, dvouhodnotové snímače
PLC hardware ELE -5- teploty, tlaku nebo hladiny). Binární výstupy, jsou určeny k buzení cívek relé, stykačů, elektromagnetických spojek, pneumatických a hydraulických převodníků (rozváděčů), k ovládání signálek, ale i ke stupňovému řízení pohonů a frekvenčních měničů nebo k ovládání zobrazovačů. Analogové vstupní a výstupní moduly zprostředkují kontakt programovatelného automatu se spojitým prostředím. K analogovým vstupům lze připojit například snímače teploty (obvykle odporové, polovodičové nebo termočlánky), snímače vlhkosti, tlaku, síly, hladiny, rychlosti, ale i většinu inteligentních přístrojů s analogovými výstupy, nebo třeba měřené napětí či výstup z potenciometru. Prostřednictvím analogových výstupů lze ovládat spojité servopohony a frekvenční měniče, ale třeba i ručkové měřicí přístroje a jiné spojitě ovládané akční členy. 3 Co se skrývá pod označením PLC? Automatické ovládání aplikací a zařízení se stává v současném elektronickém světě již samozřejmostí, bez níž by již nebylo možné řídit vytápění či chlazení, vozit se v dopravních prostředcích, zabezpečit naše obydlí, či automatizovat výrobu. Pro tyto účely mohou mimo velkých a složitých počítačů sloužit i malé a levné řídicí jednotky v podobě elektronických "krabiček" různých schopností a velikostí obecně označované jako PLC. Zařízení PLC (Programmable Logic Controler), v češtině často označované jako programovatelné automaty, patří již dlouhodobě k základům automatického řízení, mohou se použít i pro úlohy měření a regulace různých aplikací a procesů. Jde o jednoduché, kompaktní i modulární a lehce programovatelné jednotky s mnoha vstupy a výstupy pro snadné připojení senzorů, displejů, spínačů a tlačítek, motorů a různých dalších přístrojů a zařízení. Samozřejmostí je možnost datové drátové, výjimečně bezdrátové komunikace. Funkce celého PLC i ovládání připojených prvků je řízeno uloženým programem, který lze snadno vytvořit pomocí výrobcem dodávaného vývojového softwaru pro běžná PC a operační systém Windows. Ten umožňuje mimo programování i průběžnou grafickou simulaci a po připojení PLC k PC pomocí USB či RS-232 kabelu i reálné zkoušení a testování. Zatímco při použití různých typů počítačů pro potřeby regulace je vyžadována znalost některého z programovacích jazyků a struktury použitého procesoru. Současná PLC se programují ve vývojovém softwaru i v několika programovacích jazycích. A to v jazyce reléových schémat, funkčních bloků, mnemokódů nebo strukturovaném textu (viz uč. texty Programování PLC). Mechanická instalace malých PLC pak spočívá pouze v jednoduchém nasazení na DIN lištu a připojení vodičů do svorek představujících jednotlivé vstupy a výstupy.
PLC hardware ELE -6- Obr.4.1 : Současná PLC již umožňují i vzdálené řízení a přenos dat prostřednictvím drátové i bezdrátové komunikace 3.1 Použití PLC PLC se hodí pro všechny řídící aplikace MaR (podle náročnosti aplikace se vybírá typ PLC). U velkých regulačních a řídicích systémů se používá pro řízení jednotlivých procesů, předzpracování signálů pro nadřazené ovládací a vizualizační systémy převážně tvořené klasickým nebo průmyslovým PC. o o o o o o o o o o Řízení výrobních strojů Řízení plnicích a balicích strojů Regulace chlazení a vytápění Řízení osvětlení Zabezpečovací systémy Vzdálené řízení vybavení bytů a domů Vizualizace procesů - zobrazení informací, indikace HMI (Human Machine Interface) - ovládací rozhraní Zpracování signálů přímo na místě měření apod Řízení v dopravě Na našem trhu je možno se nejčastěji setkat s programovatelnými automaty těchto nejvýznamnějších světových výrobců (řazeno abecedně): ABB, Allen-Bradley, B+R, Eberle, Festo, GE, H+B, Idec, Klockner Moeller, Matsushita, Mitsubishi, Omron, Saia, Siemens, Obr. č 4: Příklad řízení linky pomocí PLC
PLC hardware ELE -7- Schneider Group a českého výrobce Teco. V konstrukčním provedení v SW i HW se jednotlivé třídy systémů a jejich představitelé liší, způsoby použití a aplikační možnosti jsou však srovnatelné. 3.2 Struktura typického PLC Zatímco dříve se z pohledu provedení PLC jednalo o velké systémy s výslednými rozměry i mnoha desítek cm, v současné době se i na tomto poli elektroniky prosazuje miniaturizace. Stále častěji se dnes můžeme setkat s provedením ve formě několika "velkých krabiček od zápalek" připevněných vedle sebe na DIN liště. Tím se výrazně snižuje prostorová náročnost. Pro ty větší PLC vybavené výkonnými procesory dnes někteří výrobci přijali označení PAC (Programmable Automation Controller), na druhou stranu ty nejjednodušší PLC bývají někdy uvedeny jako tzv. programovatelné relé. PLC je složeno z následujících částí: o o základní řídící/cpu jednotka (basic/cpu modul) - základní blok PLC, který obsahuje: zdrojovou část - napájení jednotky, příp. dalších modulů procesorovou část - tvořená CPU, FPGA nebo speciálními obvody komunikační rozhraní - základní propojení s PC a s dalšími PLC několik binárních/logických vstupů a výstupů rozšiřující moduly (expansion modules) - rozšiřují základní jednotku o libovolné další prvky vyžadované uživatelem: obslužné pracoviště nadřazený systém systémová paměť uživatelská paměť operační paměť obrazy vstupů - X uživatelské procesy - P vzdálené vstupy a výstupy centrální jednotka obrazy vstupů - Y uživatelské registry - R systémové registry - S uživatelská data - D uživatelské tabulky - T konfigurační konstanty systémová sběrnice binární vstupy binární výstupy analogové vstupy a výstupy rychlé čítače polohovací moduly komunikačn í moduly záložní paměťový modul speciální moduly Obr.3.2: Blokové schéma vnitřní struktury obecného programovatelného automatu další vstupy - logické a analogové (napěťové/proudové/diferenční) další výstupy číslicové (tranzistorové, reléové) a analogové výstupy různé komunikační sběrnice - RS-232/422/485, LPT, Ethernet (TCP/IP), PROFIBUS, MODBUS, GSM apod.
PLC hardware ELE -8- speciální moduly - např. regulátory motorů, PWM výstupy, zesilované/kompenzované vstupy pro tenzometry/termočlánky/termistory, sběrnicové opakovače apod. Každý PLC systém musí mít vždy alespoň jednu základní řídící/cpu jednotku, která provádí samotné vykonávání uloženého programu, číslicové zpracování signálů a digitální komunikaci s okolím. Tato jednotka je obvykle vybavena tak, aby byla plně soběstačná, tzn. že v jednodušších aplikacích může pracovat samostatně bez jakýchkoliv dalších přidaných prostředků. Pro tento účel bývá vybavena i několika vstupy a výstupy, obvykle jen logickými, umožňující připojení tlačítek či signalizace, zapínání/vypínání zařízení a přivedení několika řídících signálů. Obr.3.3: Již základní PLC jednotky obsahují několik vstupů a výstupů Pro náročněj ší aplikace je pak možné základní jednotku dovybavit o požadované funkce a rozhraní pomocí rozšiřujících modulů. Ty se připojují pomocí výrobcem definované speciální propojovací sběrnice v podobě konektorů vyvedené buď na boku každého modulu a základní jednotky nebo na jejich zadních stranách. Některá PLC, zvláště ta větší a výkonnější využívají speciálních nosných soklů (backbones), které realizují zmíněné propojení a kam se jednotlivé moduly a jednotky zasouvají. Dle zaměření a složitosti PLC je k dispozici různě široká nabídka typů modulů. Ty nejjednodušší systémy poskytují jen základní rozšíření počtu vstupů a výstupů, zatímco u výkonnějších a univerzálnějších PLC již jsou k dispozici i speciality, jako například víceosé regulátory pohybu (otáčení motorů) nebo rozhraní průmyslových sběrnic typu PROFIBUS. Obr. 4.4 : Ukázka distribuovaného systému vytvořeného pomocí PLC Mohou být zdůvodněné i sestavy čistě vstupní, kdy je PLC degradován na systém pro měření a předzpracování dat. PLC může například vyhodnocovat soubor analogových a binárních snímačů z monitorované technologie, analyzovat je nebo předávat nadřízenému PC. Může se specializovat jen na čítání impulzů z Obr. 3:5: Současná PLC již umožňují použít různé terminály a zobrazovací jednotky
PLC hardware ELE -9- vysílacích elektroměrů, z impulzních průtokoměrů plynu, teplé a studené vody nebo z měřičů spotřebovaného tepla. Obdobně může být PLC v roli čistě výstupního systému, například jako ovládač svíticích nebo padáčkových segmentových zobrazovačů, jako ovládač souboru pohonů nebo souboru elektrických spotřebičů a jiných akčních členů. Existují i aplikace PLC bez fyzických vstupů a výstupů, kdy PLC funguje jen jako inteligentní a programovatelný komunikační adaptér (pro připojení cizího systému" do sítě PLC, pro připojení operátorských panelů, snímačů čárového kódu a jiných identifikačních prvků, vážících zařízení, jako ovládač tiskárny, rádiového nebo telefonního modemu pro dálkové ovládání, jako inteligentní převodník komunikačních rozhraní a adaptér mezi protokoly různých průmyslových sběrnic. Některé kompaktní systémy se navíc vyznačují ještě vnitřní modulárností, kdy konfiguraci základního modulu lze sestavit osazením základní desky násuvnými moduly vhodného typu ( piggyback"^). Násuvné moduly ( piggyback" ) bývají řešeny jako malý plošný spoj s jedním nebo několika integrovanými obvody a konektorem. Hovorově se označují jako piggyback" (snad v původním významu přídavek", přívažek"). Výstižný a krátký český ekvivalent se zatím nevžil. 3.3 Programovatelná řídící relé (PLC) Mezi základní a nejjednodušší řídící automatizační prvky patří tzv. programovatelná nebo řídící relé. Ty bývají takovou odlehčenou verzí malých PLC za účelem co nejnižší prodejní ceny a lze je využít pro mnoho základních regulačních aplikací typu řízení teploty, osvětlení, časovaného nebo jiného automatické spouštění spotřebičů apod. Programovatelná relé nebo řídící relé jsou vlastně taková velmi jednoduchá PLC vhodná pro ty nejjednodušší automatizované aplikace. Výjimečně se označují jako PLC, protože hranice mezi těmito dvěma označeními není nijak přesně daná. Jde o krabičku nabízející binární vstupy a spínané tranzistorové či reléové výstupy, které jsou napojeny na vnitřní elektroniku obvykle tvořenou nějakým moderním vícevývodovým mikrokontrolérem výrobců ATMEL, NEC, Freescale apod. V něm pak běží výrobcem uložený firmware a uživatelem z PC nahraný program, který se ve smyčce neustále dokola opakuje a určuje, jaká bude reakce řídícího relé na vstupy a co to následně po vyhodnocení provede s výstupy.
PLC hardware ELE -10- Často je vše doplněno o jednoduchý monochromatický LCD displej a několik tlačítek umístěných na Obr. 3.6 : Reálné provedení tří verzí s displejem a tlačítky - zleva Easy500, Easy700 a Easy800 těle "krabičky". Tak lze například vytvořit jednoduché HMI rozhraní bez dalších přidaných komponent. Pokud toho uživatel nevyužije, pak tlačítka i displej slouží k zobrazování a nastavení některých výrobcem určených stavových informací a času. Někdy je možné základní modul rozšířit o další tzv. rozšiřující moduly dalších binárních vstupů a výstupů prostřednictvím k tomu určených speciálních propojovacích rozhraní. Zpravidla jsou spínací úrovně binárních vstupů dány hodnotou napájecího napětí, tzn. pokud je napájení 24 V DC, tak jsou na to dimenzované i vstupy, pokud 230 V AC, opět vstupy rozliší jen stavy 0 a 230 V. Z pohledu provedení pouzdra, jde u všech výrobců o téměř shodná řešení tvořená plastovou rozebíratelnou krabičkou s upínacím mechanismem na 35 mm DIN lištu. Takto lze realizovat všechny jednodušší aplikace, jako je ovládání motorů (ovládání dopravníků, zdvihacích zařízení, automat. dveří a oken, rolet apod.), regulace vytápění či klimatizace, řízení osvětlení. Zatímco práce na PC se vyznačuje běžným komfortem (práce s myší v grafickém prostředí programu pro OS Windows), programování řídícího relé pomocí displeje nevyžaduje nic víc než napájecí napětí (12, 24 V DC nebo 230 V AC podle provedení relé). 3.4 Modulární PLC (podle dokumentace fy TECO) Nesrovnatelně větší volnost ve volbě konfigurace poskytují modulární programovatelné automaty. Do různých variant plochého zadního rámu lze zasouvat libovolné moduly (typicky v počtu 4, 6, 8 i více modulů). U některých variant PLC může být jeden systém tvořen několika rámy (základní a rozšiřovací moduly). Rozšiřovací moduly mohou být připojeny na vzdálenosti stovek metrů. Místo rozšiřujících modulů mohou být připojeny podsystémy tvořené kteroukoliv z variant PLC. Tak lze vytvářet různě strukturované distribuované systémy. 3.4.1 Binární vstupy a výstupy
PLC hardware ELE -11- Binární vstupy slouží k připojení stavových signálů řízeného objektu k PLC. Vstupní obvody zajišťují transformaci napěťové úrovně signálů na úroveň vnitřní logiky. Pro zvýšení funkční spolehlivosti je každý vstup galvanicky oddělen optoprvkem a opatřen filtrem s časovou konstantou cca 4ms. Vybuzení (sepnutí) vstupu je signalizováno rozsvícením žluté signalizační diody. Zapojení jednoho vstupního obvodu a vyvedení na svorky svorkovnice DC INPUT je zjednodušeně znázorněno na obr.3.6. Stejnosměrné vstupy jsou v rozsahu 5, 12, 24 a 48 V se společným vodičem pro napětí kladné nebo záporné polarity (pro čidla s výstupním PNP nebo NPN tranzistorem). Střídavé vstupy mají rozsah 24,48,115 a 230 V. Existuje i modul stejnosměrných vstupů v bezjiskrovém provedení. Je Obr. 3.8 : Zapojení výstupního obvodu jednotky určen pro snímání vstupů z výbušného prostředí, lze jej však využít i pro snímání hladiny s ponornými sondami. Binární výstupy slouží k ovládání akčních a signalizačních prvků řízeného objektu. Výstupní obvody zajišťují převod vnitřních logických úrovní na napěťovou úroveň vhodnou pro ovládání Obr. 3.9: Zapojení výstupního reléového obvodu jednotky PLC řízeného objektu. Výstupní prvky jsou galvanicky odděleny od vnitřních obvodů jednotky. Každý výstup je chráněn proti krátkodobému přetížení omezovačem proudu a celá skupina proti zkratu tavnou pojistkou. Stav každého výstupu je signalizován zelenou signalizační diodou. Společná žlutá signalizační dioda označená BLK (PLC fy TECO) signalizuje rozsvícením režim blokování výstupů. Zapojení jednoho výstupního obvodu a vyvedení na svorky svorkovnice je zjednodušeně znázorněno na obr. 3.9. Binární výstupy jsou v provedení s relé, transistory PNP i NPN a s triaky. Jsou řešeny pro stejnosměrné i střídavé napájení, v rozpětí od 24 do 250 V. Galvanické oddělení významně přispívá k potlačení průniku rušivých signálů do systému ze strany vstupních a výstupních svorek. Obr. 3.10 : Zapojení analogové vstupní jednotky PLC Sortiment binárních vstupních a výstupních modulů pokrývá požadavky nejrůznější typů řízených objektů, snímačů a akčních členů, vychází vstříc potřebám a zvyklostem projektantů z různých oborů
PLC hardware ELE -12- aplikací automatizační techniky (někdo raději pracuje se stejnosměrnými ovládacími obvody, jiný dává přednost střídavým). 3.4.1 Analogové moduly (podle dokumentace fy TECO) Vstupní analogová část jednotky je blokově znázorněna na obr. 4.9. Tvoří ji ochranné obvody, multiplexer pro výběr vstupního kanálu a kanálu pro měření offsetu vstupních obvodů, zesilovač s pevně nastaveným zesílením, rychlý A/D převodník a zdroj konstantního napětí pro napájeni pasivních čidel. Pro měření proudu je každý ze vstupů opatřen měřicím odporem 100Ω, který lze připojit propojkou. Pomocí propojek se také připojuje napájení pro pasivní odporové snímače, které je realizováno rezistorem s odporem 7k5 Ω, připojeným do série ke zdroji referenčního napětí 10V. Vstupní napětí je převedeno na přímo binárně kódované slovo délky 12 bitů. Minimální hodnotě vstupního napětí odpovídá hodnota 0 dekadicky (0000 hexadecimálně), maximální hodnotě pak 4095 (hexadecimálně OFFF). Sortiment analogových modulů dovoluje bezproblémové připojení běžně používaných snímačů a akčních členů a měřit napěťové nebo proudové signály v širokém rozsahu hodnot (8 vstupů proti společné nule nebo 4 diferenciální, ve čtyřech rozsazích: ±50 mv, 256 mv, l V, 10 V, l ma, 5 ma, 20 ma) a s rozlišením 12 bitů + znaménko (2 x 4096 hodnot). Obdobně jsou řešeny i univerzální analogové výstupní moduly. Existují však moduly specializované pro určité typy čidel, např. pro termočlánky, pro odporové teploměry ve čtyřvodičovém zapojení, s kompenzací teploty chladného konce termočlánku, s korekcí nelinearit a s odfiltrováním rušivé složky vstupních signálů, s převodem měřené veličiny na údaj ve fyzikálních jednotkách apod. U specializovaných modulů je poněkud potlačena univerzálnost, zato jsou optimálně přizpůsobeny svému určení a poskytují tak levnější a kvalitnější řešení (nižší cena, menší prostor nebo více komfortu). Analogové moduly s galvanickým oddělením dovolují zvýšit odolnost systému proti rušení, v některých situacích jsou principiálně nenahraditelné. 3.4.2 Obvod reálného času a zálohovací baterie Obvod reálného času je volitelný doplněk centrální jednotky. Je nutný pouze v aplikacích, ve kterých řízení probíhá podle skutečného času. Po zapnutí systém automaticky vyhodnocuje přítomnost obvodu a podle výsledku se liší význam časoměrných registrů S5-S12 (u PLC fy TECO). Je-li obvod osazen, jsou v registrech S5-S12 uživateli dostupné údaje z časového obvodu od desítek ms až po poslední dvojčíslí letopočtu v pořadí S5-l0ms, S6-s, S7-min., S8-hod, S9-dny v týdnu, S10- dny v měsíci, S11-měsíc, S12-poslední dvojčíslí letopočtu. Je přitom respektován 24 hodinový denní cyklus, proměnná délka měsíců i počet dní v roce. 3.4.3 Příjem dat V každé otočce cyklu jsou do přijímací zóny přesunuty všechny byty přijaté během předchozího cyklu do vyrovnávacího registru jehož délka je shodná s délkou zóny DATI (nastavitelná oblast dat pro příjem). Podmínkou pro přesun dat do přijímací zóny je vynulovaný bit DAOK ve stavovém bytu STAT. Bit DAOK nuluje uživatel po zpracováni dat v zóně DATI. Zároveň s přesunem dat z vyrovnávacího registru do přijímací zóny je zapsán počet přijatých bytů do bytu NUMI, výsledek přijmu do bytu STAT a bit DAOK stavového slova je nastaven do stavu 1. Během Jednoho cyklu programu lze bez ztráty dat přijmout pouze počet bytů odpovídající délce zóny DATI. Pokud by došlo během cyklu k přeplnění
PLC hardware ELE -13- vyrovnávacího registru je příjem dalších bytů zastaven a skutečnost, že došlo ke ztrátě dat, je indikována nastavením bitu RXOV bytu STAT do stavu 1. Při tvorbě uživatelského programu je třeba mít na paměti, že v závislosti na komunikační rychlostí a době cyklu PLC může docházet ke dvěma jevům v přijmu. Nejčastějším jevem je roztržení přijímané zprávy. Je to důsledek toho, že zpráva se během jednoho cyklu nestačila přijmout celá. V přijímací zóně se objeví část zprávy, která je v následujícím cyklu přepsána další částí přijímané zprávy. K ošetření tohoto jevu je třeba přijatou část zprávy překopírovat na jiné místo v zápisníku (viz Programování PLC STR kap. 7) a v dalších cyklech přikopírovávat další části zprávy a tak zprávu rekonstruovat. Tento jev se objevuje zejména v případech nízké komunikační rychlosti, dlouhé zprávy a krátké doby cyklu PLC. Nelze jej však zcela vyloučit ani u vysokých komunikačních rychlostí, protože vždy může dojít k tomu, že centrální jednotka začne přesouvat přijaté byty zprávy zrovna v době, kdy se zpráva přijímá (příjem dat je asynchronní vůči cyklu PLC). Druhým méně častým jevem je naopak spojení více zpráv do jedné. Tento jev se objevuje zejména při vyšších komunikačních rychlostech, krátkých zprávách a dlouhé době cyklu PLC. Může také docházet k současnému výskytu obou jevů, tedy příjem jedné a částí další zprávy najednou. Princip ošetření je stejný jako v předchozím případě. 3.4.4 Speciální moduly Centrální jednotka může být vybavena speciálními vstupy, které lze využít pro rozšíření počtu binárních vstupů PLC, jako rychlé binární vstupy nebo ve spojení s 16-ti bitovým čítačem jako rychlý čítač vnějších událostí - Funkce rychlých přerušovacích vstupů - Funkce čítače vnějších událostí - Funkce záchytných registrů K rychlému přístupu k obsahu čítače vnějších událostí je systém vybaven 16-ti bitovým záchytným registrem, do kterého je obsah čítače kopírován při každé změně hodnoty 1 na hodnotu 0 na vstupu dané m vstupu. 3.4.5 Chybové relé Centrální jednotka je vybavena speciálním reléovým výstupem, který je ovládán výhradně systémem. Na výstupní svorky PLC označené symbolem kontaktu je vyveden spínací kontakt relé. Kontakt je systémem sepnut ihned po připojení PLC k napájení a rozepíná se především - při vyhodnocení výpadku napájecího napětí - při překročení maximálně povolené délky smyčky (tzv. funkce WATCH DOG) - při závažné chybě vyhodnocené diagnostikou systému
PLC hardware ELE -14-4 PLC TECOMAT FOXTROT Obr. 4.1: PLC TECOMAT FOXTROT 4.1 Vlastnosti systémů TECOMAT FOXTROT Programovatelné automaty TECOMAT FOXTROT představují malé kompaktní automaty s možností modulárního rozšíření. Spojují tak výhody kompaktních automatů co do velikosti a modulárních co do rozšiřitelnosti a variability. Jsou určeny pro řízení technologií v nejrůznějších oblastech průmyslu i v jiných odvětvích. Jednotlivé moduly systému jsou uzavřeny v plastových ochranných pouzdrech, které se montují na U lištu ČSN EN 50022. Díky tomu lze s nimi manipulovat bez nebezpečí poškození citlivých CMOS součástek. 4.2 Komunikace Datové komunikace mezi PLC a nadřízenými PC, mezi několika PLC, nebo mezi PLC a ostatními zařízeními jsou obvykle realizovány sériovými přenosy. Systémy FOXTROT podporují základní přenosy pomocí sítí Ethernet nebo průmyslové sítě EPSNET. Jeden asynchronní sériový kanál je pevné osazen rozhraním RS-232, druhý je volitelné osazen různými typy fyzických rozhraní podle volby zákazníka (RS-232, RS-485, RS-422). Na jedné úrovni sítě EPSNET múze být při použití rozhraní RS-485 až 32 účastníků a délka sériové linky až 1200 m. Volitelně jsou podporovány i jiné průmyslové protokoly a sběrnice, např. MODBUS. PROFIBUS DP, CAN, apod. Případně je možná asynchronní komunikace univerzálními přenosovými kanály ovládanými přímo z uživatelského programu. Všechny centrální jednotky jsou vybaveny rozhraním Ethernet 10/100 Mb umožňujícím provozovat současné více logických spojení.
PLC hardware ELE -15-4.2.1 Výstavba rozsáhlého systému Rozšiřovací periferní moduly se k centrální jednotce připojují pomocí sériové sběrnice. Díky tomu mohou být jednotlivé části systému TECOMAT FOXTROT rozmístěny decentralizované tak, že jednotlivé moduly jsou umístěny přímo u ovládaných technologií a šetří tak silovou kabeláž. Spojení s PC Celý systém může komunikovat s počítači standardu PC. Počítač tak může být využit k monitorování řízeného procesu a přitom je umístěn mimo průmyslové prostředí ve velínu nebo dispečinku. Počítač také slouží jako programovací přístroj pro PLC. Kromě PLC řady TECOMAT FOXTROT se komunikace mohou účastnit počítače standardu PC (prostřednictvím adaptéru sériového rozhraní), ale i další účastníci, kteří vyhoví požadavkům sítě EPSNET (další PLC TECOMAT, operátorské panely, apod.). 4.2.2 Distribuované systémy řízení Tyto skutečnosti vytváří předpoklady pro realizaci rozsáhlých systémů distribuovaného nebo hierarchického řízení. Takové systémy však mohou vznikat i cestou postupných kroků zdola" tak, že původně autonomní systémy se postupně spojují a doplňují se o horní úroveň řízení nebo jen o centrální monitorování a sběr dat. Takto vzniklé systémy jsou obvykle životnější, než systémy vzniklé v Jediném kroku shora". Výhodou distribuovaných systémů je zejména možnost autonomního řízení i při výpadku centra, postupné uvádění celého systému do provozu : snazší ladění, doplňování, úspora nákladů a pracnosti při montáži (např. v kabeláži, rozvaděčích). Obr.5.2: Rozšíření PLC Foxtrot o I/O moduly
PLC hardware ELE -16- Obr.4.2: Rozšíření PLC Foxtrot o I/O moduly CP-1004 centrální jednotka řady K 4 binární vstupy 24 V využitelné jako vstupy čítačů 4 volitelné vstupy - binární 24 V / analogové 0-10 V (10 bitů) 6 reléových výstupů 250 V 2 sériové kanály (CH1 - RS-232, CH2 - volitelné rozhraní) 1 rozhraní Ethernet 10/100 Mb 1 linka sběrnice TCL2 pro připojení periferií 1 linka sběrnice CIB slot paměťové karty SD / MMC možnost osazení submodulu s binárními vstupy a výstupy TXN 110 04 Tab. 4.1: Popis modulu CP- 1004
PLC hardware ELE -17-5 Sběrnice a adresace Počítače, které se používají pro řízení nebo ovládání technologických zařízení, se většinou skládají z vany se sběrnicí, do které se zasouvá procesorová jednotka a desky umožňující vstup/výstup jednotlivých signálů. S jednotlivými deskami pak procesor komunikuje pomocí systémové sběrnice. Na obrázku (obr. 5.1) jsou uvedena tři zařízení, která jsou připojena na datovou, adresovou a řídící sběrnici. Dané zařízení je připojeno k datové sběrnici pouze tehdy, pokud je na adresové sběrnici (A 0 A 2 ) adresa odpovídající nastavené propojce na desce zařízení (Key ). První zařízení je připojeno k datové sběrnici, pokud na adresové sběrnici A 2 A 0 je binární hodnota 000. Druhé zařízení je připojeno k datové sběrnici, pokud na adresové sběrnici A 2 A 0 je binární hodnota 001. Třetí zařízení je připojeno k datové sběrnici, pokud na adresové sběrnici A 2 A 0 je binární hodnota 010. Výběr zařízení je dán dekodéry U1 až U21. Z dekodéru pak vychází signál (v našem případě log. úroveň 0), který aktivuje připojuje k datové sběrnici odpovídající budič (zesilovač signálů sběrnice). Popis budičů bude uveden později. D 0 D 3 1 1 A U1 2 B 3 C 6 & G1 4 ~G2B 5 ~G2A Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 15 14 13 12 11 10 9 7 Key = 0 A 1 2 4 6 8 U2 18 16 14 12 1. zařízení A 0 A 2 1 1 A 2 U11 B 3 C 6 & G1 4 ~G2B 5 ~G2A Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 15 14 13 12 11 10 9 7 Key = 1 B 19 11 13 15 17 U12 9 7 5 3 2. zařízení ŘS 1 1 A 2 U21 B 3 C 6 & G1 4 ~G2B 5 ~G2A Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 15 14 13 12 11 10 9 7 Key = 2 C 19 11 13 15 17 U22 9 7 5 3 3. zařízení Obr. 5.1: Vytvoření adres pro jednotlivá zařízení pomocí dekodéru
PLC hardware ELE -18-5.1 Realizace číslicových výstupů Na obr. 5.2 je uvedeno neúplné schéma desky pro 32 binárních výstupů. Základní adresa pro tuto desku je dána propojkami J1. Napětím UCC přes odporovou sadu jsou přednastaveny log. úrovně H. Propojkami se nastavují úrovně L. Adresa, která přichází na adresovou sběrnici A 2 až A 9, se porovnává s hodnotou nastavenou na J1 pomocí osmibitového komparátoru U15 (74LS688). V případě rovnosti těchto hodnot je na výstupu komparátoru (18) signál o úrovni L, který aktivuje obvody U16 a U18. Dekodér 1 z 8 (U16) pak na základě hodnot na vstupech A0 a A1 aktivuje zápis do jednoho ze čtyř paměťových obvodů 74LS273. Pokud je např. na vstupech A0 a A1 hodnota 00, pak je aktivní obvod U13. Data se do tohoto obvodu uloží z datové sběrnice, která je připojena přes aktivní obvod U18. Dále se zesilují v obvodu U14 (budič sběrnice) a přes optické oddělovací členy a výstupní budiče (viz obr. 3) jsou přivedeny na výstupní svorkovnici. Zapojení jednoho výstupu výkonového budiče je uvedeno na obr. 5.4. Ze zapojení je zřejmé, že zátěž se v tomto případě připojuje nulováním: nastavením log. úrovně 1 na výstup, se otevře tranzistor T a zátěž Z se připojí na EXT. GND. Výstupní desky je možné u výrobce objednat i s připojováním zátěže na kladný pól zdroje. Spínané napětí je U13 Obr.5.2: Neúplné schéma desky pro 32 binárních výstupů
PLC hardware ELE -19-24V. Dioda D je ochranná. Uzavírá obvod při vypínání zátěže (relé). Obr. 5.3: Zapojení výstupů přes optrony a výkonové budiče na svorkovnici 5.2 Realizace číslicových vstupů Modul, jehož část je zobrazená na obr. 5.5, je určený pro snímání dvouhodnotových (binárních) signálů z průmyslového prostředí. Umožňuje připojení 32 signálů se společným + nebo pólem. Signály ze svorkovnice vstupují přes optrony (např. U13) do budiče sběrnice (U18B). Pokud je budič aktivovaný odpovídající adresou, projdou vstupní signály na datovou sběrnici. Adresová část vstupního modulu je stejná jako u modulu výstupů. Některé vstupy mohou rovněž vyvolat přerušení. Popis a zapojení těchto vstupů (s přerušením) zde není popsán. Vstupní signály mívají nejčastěji napětí 24V (může být 12V, 24V, 48V, 60V). Přizpůsobení pro různá napětí je pomocí rezistorů (R25 až R32). Obr. 5.4: Zapojení jednoho výstupu výkonového budiče
PLC hardware ELE -20-5.3 Analogové vstupy Modul analogových vstupů je rovněž vybavený adresovými vstupy, které jsou stejné jako u předchozích modulů. Dále je rozdělený na část analogovou a číslicovou. Blokové schéma desky je uvedeno na obr. 5.6. Analogová část Analogové signály se přivádějí vstupním konektorem přes analogový multiplexer. Uvedená deska umožňuje pomocí propojek nastavit tři režimy: 1. Měření napětí 16 kanálů proti zemi. Po osazení vhodných snímacích rezistorů lze měřit i proud. 2. 8 diferenciálních kanálů pro měření napětí. (Diferenciální zapojení op. zesilovače) Používá se při měření nezávislých zdrojů napětí, kterými bývají termočlánky. 3. 16 pseudodiferenciálních kanálů proti externímu společnému bodu (EXTGND) pro měření napětí. Obr. 5.5: Zapojení vstupní části modulu vstupů.
PLC hardware ELE -21- Signál z analogového multiplexeru se přivádí na přístrojový zesilovač, u kterého je možné nastavit zesílení. Vlastní převod provádí 12 bitový AD převodník metodou postupné aproximace. Doba jednoho převodu je kratší než 10μs. Analogové vstupy mohou být unipolární 0 až 10V, bipolární 5V až +5V nebo bipolární 10V až +10V. Číslicová část Nejdříve operací typu zápis na adresu BASE + 1 (např.: MOV 41h,#0) nastavíme na multiplexeru číslo analogového kanálu, ze kterého chceme číst. Následně zápisem na adresu BASE + 0 (např.: MOV 40h,#0) odstartujeme převod. Mezi odstartováním převodu a navolením kanálu musí být prodleva, která je nezbytná pro ustálení měřeného signálu. Operací typu čtení z adresy BASE + 2 (např.: MOV a,42h) načteme byte stavového registru. Sedmý bit tohoto slova nám určuje, zda je převod již ukončený. Pokud ano, pak pomocí adres BASE + 0 a BASE + 1 můžeme převzít do procesoru číslicovou hodnotu analogového signálu. Nový převod odstartujeme opět zápisem na adresu BASE + 0. Výše uvedený postup je určený pro vstupní analogovou desku podle obr. 6. U jiného typu desky bude postup vládání jiný. Obr.5.6: Blokové schéma modulu A/D převodníku sběrnice A/D Zesílení control logic MUX Obr. 5.7: Zjednodušené blokové schéma A/D převodníku
PLC hardware ELE -22-6 Mobilní roboty Mobilní roboty tvoří oblast robotiky zabývající se roboty schopnými se v daném okolním prostředí a čase přemisťovat. Jejich studiem, výzkumem, návrhem a konstrukcí se zabývá robotika věda o robotech (samostatně pracující stroj, vykonávající určené úlohy). Z pohledu použitých subsystémů robotu mechanického, elektronického, řídícího, pohonného a dalších hovoříme o robotu jako o mechatronickém systému. Mechatronika současná kombinace mechaniky, elektroniky a softwarového inženýrství. Je umístěna mezi mechaniku, elektroniku a výpočetní techniku, které dohromady umožňují vývoj jednodušších, ekonomičtějších, spolehlivějších a víceúčelových systémů. V současné době je výzkum v oblasti robotiky prováděn zejména na vysokých školách, nebo na pracovištích nějakou formou spolupracující s VŠ. Umělá inteligence obor informatiky zabývající se tvorbou strojů vykazujících známky inteligentního chování. Humanoidní robot libovolná bytost, jejíž tělo se podobá člověku. Mívá základní tělesné rysy ( dvounohý, dvouruký, liší se v detailech počet prstů, zbarvení, tvar uší apod.) Mobilní roboty je možné dělit podle řady kritérií. Mezi základní patří rozdělení na dva typy autonomní a dálkově řízené. U autonomních robotů se předpokládá schopnost samostatně vykonávat zadanou úlohu např. sledování barevné čáry na podlaze a schopnost reagovat na eventuální překážku zastavit se, případně se jí vyhnout, vrátit se na značku a pokračovat v jízdě nebo umět se pohybovat v neznámém prostředí, dokázat ho zmapovat. Dálkově řízené roboty jsou řízeny operátorem, který má informaci o pracovním okolí robotu. Patří sem teleprezenční řízení dálkové řízení za pomoci prvků virtuální reality, pomocí které se operátor cítí jako by se nalézal v pracovním prostoru robotu. Podle prostředí, ve kterém se robot má pohybovat dělíme mobilní roboty pohybující se : na souši (kolové, pásové, kráčející, plazivé, šplhající, skákací a hybridní), ve vodě, ve vzduchu, ve vesmírném prostoru, hybridní. Podle účelu nasazení je lze dělit : manipulační, montážní, servisní, inspekční, průzkumné, vojenství, zdravotnictví, určené pro zábavu. Návrh senzorického subsystému je komplexní proces, při němž je nutné zvážit mnoho faktorů zohledňujících nejen vlastnosti senzorů, ale také pracovní prostředí robotu, možnost vzájemné interakce senzorů, nároky na Obr. 1.
PLC hardware ELE -23- výpočtové možnosti řídícího systému atd. Tento subsystém lze rozdělit na dvě základní části: 1. vlastní senzory a jejich obslužné zařízení 2. realizují komunikaci mezi jednotlivými subsystémy robotu (tvořena obvody rozhraní a sběrnicí vytvořenou pomocí různých přenosových médií). Senzory lze rozdělit podle vztahu k robotu na interní měřící parametry robotu a externí měřící parametry okolí robotu. Použité senzory mohou plnit mnoho funkcí, ovšem z pohledu vlastního robotu jsou významné pouze senzory sloužící k navigaci a diagnostice robotu. Mezi ty nejjednodušší lze zařadit senzory potřebné pro detekci překážek reprezentované buď dotykovými (taktilní senzory), případně bezdotykovými senzory (IR senzory, sonary). Jejich úkolem je zabránění kolizí s objekty v okolí robotu, případně udržování požadované vzdálenosti od těchto objektů. Aby byl řidící systém schopen oba úkoly splnit, musí mu senzory poskytnout potřebné informace včas s požadovanou přesností a spolehlivostí. Teprve na základě těchto informací lze provést návrh senzorického subsystému tak, aby neomezoval funkčnost robotu a umožňoval jeho další vývoj. Senzory robotu lze rozdělit do dvou základních skupin podle vztahu k okolí robotu. Jsou to senzory interní sloužící k měření parametrů subsystémů robotu. Pro diagnostické účely je to např. stav baterie, monitorování komunikace a kontrola teploty robotu. Pro navigaci jsou to informace o akčním subsystému, což jsou poloha, rychlost a zrychlení jednotlivých pohonů nebo výstupních členů (kola.). Externí senzory slouží k získání informací o okolí robotu, pro účely navigace jsou to zejména informace o poloze a orientaci robotu v globálním soustředném systému, a rozmístění objektů v jeho okolí. Podle způsobu měření lze dále rozdělit externí senzory na dotykové a bezdotykové. Dotykové jsou schopné měřit pouze pomocí dotyku s objektem, tím je značně omezen jejich dosah. Bezdotykové používají k měření různá záření, nejčastěji jde o využití akustických vln, optického nebo elektromagnetického záření. Díky tomu je jejich dosah výrazně vyšší a to v závislosti na použitém principu činnosti. Pro použití mobilními roboty je tento dosah obvykle omezen na vhodnou mez zohledňující spotřebu senzoru a možnost využití získaných informací. Například radarové systémy mohou mít dosah až stovky kilometrů, ale pro mobilní roboty by takové informace neměly význam. Pro požadavky robotu jsou nejčastěji používány radary, jejichž dosah nepřekračuje jednotky až desítky metrů. To je pro pohyb ve vnějším prostředí i při vyšší rychlosti zcela dostačující. Ve vnitřním prostředí je tento dosah zbytečně velký zejména vzhledem k výrazně menšímu prostředí a velké hustotě překážek. Zde se uplatní radar s velmi malým dosahem v řádu metrů. 6.1 Interní senzory Interní senzory poskytují robotu informace o jeho subsystémech. 6.1.1 Senzory natočení Tyto senzory jsou v provedení analogovém a digitálním. Analogové využívají k měření změnu elektrické veličiny. Podle toho se dělí na odporové, indukční a kapacitní. Analogové senzory slouží
PLC hardware ELE -24- k měření omezeného úhlu natočení a proto je jejich použití mobilním robotem omezené. Více využívány jsou digitální a to zejména pro neomezený rozsah měřeného natočení a bezdotykový způsob měření. Podle metody měření natočení je lze rozdělit na přírůstkové (inkrementální) a absolutní. 6.1.2 Inkrementální senzor Inkrementální senzory jsou typicky používané ve zpětnovazebních systémech řízení polohy, rychlosti a případně zrychlení v rozsahu aplikací od periferií počítačů, přes průmyslovou robotiku až po zdravotnickou techniku. Inkrementální senzory jsou charakteristické svou vysokou rozlišovací schopností, malými rozměry a nízkou hmotností. Název inkrementální je vzat z principu činnosti založeném na otáčivém mezikruží s pravidelně se střídajícími průhlednými a neprůhlednými ryskami, které při otáčení přerušují emitované světlo LED diody umístěné na jedné straně tohoto mezikruží obr. Toto světlo je detekováno fototranzistorem, umístěným na druhé straně mezikruží naproti LED diodě. Do optické cesty mezi zdrojem a přijímačem světla je u většiny snímačů zařazen ještě nepohyblivý maskovací kotouč s ryskami o stejné rozteči, jako má kotouč pohyblivý. Světlo ze zdroje prochází přes průhledné rysky pohyblivého kotouče. Jsou-li v zákrytu průhledné rysky pohyblivého kotouče a průhledné rysky segmentu pevného maskovacího kotouče, dopadá na fotosenzor maximální světelný tok. V případě, že jsou v zákrytu průhledné rysky pohyblivého kotouče a neprůhledné rysky segmentu nepohyblivého kotouče, světlo neprochází a světelný tok na fotosenzoru je minimální. Mezi těmito dvěma polohami se světelný tok mění přímo úměrně posunutí obou kotoučů. Výstupní signál fotosenzoru má periodu nepřímo úměrnou počtu rysek na otáčku a rychlosti otáčení pohyblivého kotouče. Tento kvazi-sinusový signál je komparátorem převeden na obdélníkový průběh. Je-li třeba navíc rozlišit i smysl otáčení, musí být maskovací kotouč senzoru polohy opatřen druhým segmentem s ryskami posunutými vůči ryskám prvního segmentu. K tomuto segmentu přísluší druhý fotosenzor, snímající fázově posunutý světelný tok. Signál z prvního fotosenzoru se označuje A, signál z druhého B. Detekováním změny fáze těchto dvou signálů A a B získáme informaci o změně směru otáčení. Další vlastností inkrementálních snímačů s kvadraturním výstupem je možnost měnit rozlišení tím, které hrany detekujeme. Čelo (nebo týl) hran pouze jednoho kvadraturního signálu (označení X1) Čelo a týl opět pouze jednoho kvadraturního signálu (označení X2) Čelo a týl kvadraturních signálů (označení X4) Problém dekódování kvadraturních signálů, nesoucích informaci o směru otáčení je možné řešit softwarově, nebo hardwarově. Softwarové řešení spočívá v inkrementování (dekrementování) obsahu proměnné s ohledem na směr otáčení. K tomu je zapotřebí porovnávat Obr. 6.2. Detekce kvadraturních signálů současné hodnoty kanálů A a B s minulými hodnotami. Výhodou tohoto řešení je jeho technická a cenová nenáročnost. Omezením pak maximální zpracovatelná frekvence kvadraturního signálu v jednotkách až desítkách khz odvislá od výpočetního výkonu daného mikroprocesoru.
PLC hardware ELE -25- Technické řešení je možno rozdělit na zapojení využívající specializovaného integrovaného obvodu obsahujícího kromě kvadraturního dekodéru také čítač. Čtením obsahu tohoto čítače získáme přímo informaci o počtu pulzů. Na obr. 6.3 je ukázáno připojení inkrementálního senzoru ke kvadraturnímu dekodéru LS7084. Pro potřebu finančně nenáročných měření natočení a otáček je možné použít části mechaniky počítačové myši. 6.1.3 Počítačová myš Pro realizaci dvouosého enkodéru a dekodéru kvadraturního signálu inkrementálních senzorů lze použít běžnou počítačovou myš. Výhodou tohoto řešení je, že veškeré kódování/ dekódování je provedeno elektronikou myši a ta pouze poskytuje již informaci o počtu pulzů Obr. 6.3: Připojení inkrementálního senzoru k mikropočítači enkodéru obou os s ohledem na znaménko. Myš, respektive její elektronika, komunikuje s PC pouze jako mluvčí, tj. do PC pouze posílá data a žádné data nepřijímá. Spotřeba elektroniky myši bývá typicky do 10mA. Informaci o stavu tlačítek myši a počtu relativních inkrementů os X a Y (vzhledem k poslednímu vyslanému paketu) myš vysílá pouze v případě, že došlo k nějaké změně (tlačítko sepnutí/rozepnutí a/nebo změna inkrementu). 6.1.4 Absolutní senzor Obr.6.4: Provedení absolutního senzoru Předností tohoto senzoru je to, že výstupní hodnota ze senzoru udává absolutní velikost natočení v rozsahu 0 až 360. Pro větší počet otáček je vybaven čítačem inkrementujícím počet otáček kódového kotouče. Obsah tohoto čítače pak spolu s kódem aktuální pozice kódového kotouče součástí tvoří absolutní údaj o poloze natočení. Princip kódování Tento typ senzoru využívá komplikovanější typ kódování než inkrementální a vyžaduje větší počet snímacích prvků. Obr. 6.5: Kódové kotouče absolutního senzoru natočení a) Grayův kód b) Binární kód
PLC hardware ELE -26- spočívá v tom, že je svazek optických paprsků kódován optickým kotoučem a senzory zaznamenávající tyto paprsky jsou rozmístěny tak, že jejich výstupem je přímo digitální informace o poloze v binární hodnotě. Pro kódování se kromě klasického binárního kódu používá Grayův kód, který má větší odolnost vůči chybám, protože kód sousedního čísla se vždy liší v maximálně jednom bitu. 6.1.5 Otáčkoměry Jedná se o senzory určené k měření rychlosti otáčení. Pro pohony robotu jsou nejčastěji využívány indukční a impulzní otáčkoměry. V indukčním provedení se nejčastěji využívají elektrodynamické otáčkoměry. Impulsní pracují na měření frekvence zaznamenání značky na kotouči. Nejběžnější provedení těchto senzorů je optické a indukční. 6.2 Externí senzory Slouží k získávání informací o okolí robotu. Podle způsobu měření lze rozlišit dvě základní skupiny senzorů : pasivní - vyhodnocují pouze přijaté záření z okolí; aktivní - vyhodnocují vlastní odražené záření. Z hlediska vlastního robotu jsou významné pouze senzory sloužící k jeho navigaci. Ta se dělí na globální, jejíž úkolem je zjištění polohy a orientace robotu vůči použitému globálnímu souřadnému systému; a lokální navigaci. Ve většině případů není hodnota naměřená senzorem přímo polohou a je nutné ji teprve vypočítat. 6.2.1 Taktilni senzor Jedná se o nejjednodušší provedení senzoru, nejčastěji realizované kontaktním spínačem. Aktivací spínače dotykem překážky dojde k sepnutí/rozepnutí elektrického obvodu a ke změně logické úrovně, která je dále vyhodnocována. Takto koncipované připojení taktilního senzoru vyžaduje napojení každého spínače odděleně - obr. Pokud není spínač aktivován, je na příslušném výstupu vysoká logická úroveň, při jeho aktivaci je na výstupu nízká úroveň. Takto zvolené úrovně dovolují napojení vstupu přímo na přerušovací vstup daného mikrokontroléru (mikroprocesoru), protože ten bývá většinou aktivní na úroveň log.0, nebo týlovou hranu. Spínače je také možno při omezeném počtu binárních vstupů připojit přes multiplexer (74151) obr. 6.5. Postupným adresováním jeho vstupů potom testujeme jednotlivé senzory. Pro takto koncipované napojení senzorů potřebujeme mít k dispozici jeden binární vstup (výstup multiplexeru) a n binárních výstupů pro adresaci jednoho z 2 n vstupů multiplexeru. Tímto zapojením je možné Obr. 6.5. Připojení více spínačů pomocí multiplexeru a dekodéru