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
vzdálené vstupy a
výstupy
centrální jednotka
obrazy vstupů - X
obrazy vstupů - Y
uživatelské procesy - P
uživatelská data - D
uživatelské registry - R
uživatelské tabulky - T
systémové registry - S
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
Obr. 4.4 : Ukázka
distribuovaného systému
rozhraní průmyslových sběrnic typu PROFIBUS.
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
Obr. 3.9: Zapojení výstupního reléového obvodu jednotky PLC
vhodnou pro ovládání
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
Obr. 3.10 : Zapojení analogové vstupní jednotky PLC
výstupních svorek.
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, S10dny 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
4.2.1
-15-
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
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
CP-1004 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
Tab. 4.1: Popis modulu CP- 1004
TXN 110 04
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 (A0
– A2) adresa odpovídající nastavené propojce na desce zařízení (Key ). První zařízení je připojeno
k datové sběrnici, pokud na adresové sběrnici A2 – A0 je binární hodnota 000. Druhé zařízení je
připojeno k datové sběrnici, pokud na adresové sběrnici A2 – A0 je binární hodnota 001. Třetí zařízení
je připojeno k datové sběrnici, pokud na adresové sběrnici A2 – A0 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.
D0
D3
1 A
U1
2 B
3 C
1
A0
A2
1
Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y7
15
14
13
12
11
10
9
7
1 A
Y0
2 B U11
Y1
3 C
Y2
Y3
Y4
6 G1&
Y5
4 ~G2B
Y6
5 ~G2A
Y7
15
14
13
12
11
10
9
7
1 A
Y0
2 B U21
Y1
3
C
Y2
Y3
Y4
6 G1&
Y5
4 ~G2B
Y6
5 ~G2A
Y7
15
14
13
12
11
10
9
7
6 G1&
4 ~G2B
5 ~G2A
1
Key =0A
2
4
6
8
U2
18
16
14
12
1. zařízení
19
Key =1B
11
13
15
17
U12
9
7
5
3
2. zařízení
ŘS
1
19
U22
Key =2C
Obr. 5.1: Vytvoření adres pro jednotlivá zařízení pomocí dekodéru
11
13
15
17
9
7
5
3
3. zařízení
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 A2 až A9, 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
5.3
-20-
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
6
-22-
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
enkodéru obou os s ohleObr. 6.3: Připojení inkrementálního senzoru k mikropočítači
dem 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
Obr.6.4: Provedení absolutního senzoru
Absolutní senzor
Tento typ senzoru využívá komplikovanější
typ kódování než inkrementální a vyžaduje
větší počet snímacích prvků.
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
Obr. 6.5: Kódové kotouče absolutního senzoru natočení
poloze natočení. Princip kódování
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 2n vstupů multiplexeru. Tímto zapojením je možné
Obr. 6.5 . Připojení více spínačů pomocí multiplexeru a dekodéru
PLC – hardware – ELE
-27-
rozlišit i současné aktivování více senzorů. Jinak je tomu v případě také používaného zapojení
využívajícího dekodéru 1 z n, např. obvodu 74148, kde je možno detekovat pouze jeden sepnutý
spínač - obr.6.5.
V případě, že řídící systém nedisponuje dostatečným počtem binárních vstupů a má analogový vstup
(A/D převodník), je možné taktilními senzory spínat odporovou síť např. se strukturou dle obr.6.5,
která tvoří odporový dělič. Z napětí odporového děliče lze jednoznačně usoudit, který/které spínače
byly aktivovány.
Mezi dotykové - taktilní senzory také patří tenzometry a senzory založené na piezoelektrickém jevu.
Tyto typy senzorů poskytují spojitý signál a používají se např. v konstrukci 3D rukavic, tenzometry je
možno osadit nohu kráčejícího robotu a detekovat např. její zatížení, případně kolizi s překážkou.
6.2.2
Infračervený detektor překážek
IR detektor/senzor slouží k detekování překážek v blízkém
okolí robotu - řádově desítky centimetrů. Tyto detektory
jsou necitlivé na IR světelné záření jiných vlnových délek,
ale jsou citlivé v oblasti vlnových délek pod viditelným
Obr. 6.6: Princip detekce překážky IR
světlem (nejčastěji kolem 880 nm).
senzorem
Principem IR detektoru překážek je detekce odraženého IR světla od překážky. Toto světlo je
eliminováno IR LED diodou. Jako detektor bývá použit fototranzistor citlivý v infračervené oblasti (IR
tranzistor), nebo IR fotocitlivá dioda. Tento senzor poskytuje dvouhodnotový signál - detekuje
odražený IR signál / nedetekuje odražený IR signál, resp. detekuje překážku/nedetekuje překážku.
Nevýhodou IR senzorů
pracujících na principu
detekce odraženého IR
světla je, že množství
odraženého světla je
závislé na barvě překážky
a druhu povrchu.
Obr. 6.7: Generované infračervené světlo je modulované kmitočtem 36 kHz a
V praxi je zpravidla IR
dále nízkým kmitočtem 0,6 kHz
fototranzistor
nahrazen
specializovaným IR přijí-mačem s integrovaným de-modulátorem. Výhodou těchto modulů je, že jsou
citlivé pouze na modulované IR záření o určité vlnové délce generované IR LED diodou (vysílačem).
Modulační kmitočet bývá
nejčastěji 36, 38, 48 a 56
kHz. Důvodem použití
modulace je eliminování
vlivu IR záření v okolním
světle. Takto modulovaný
signál ještě musí být
modulovaný
nižším
kmitočtem pro správnou
funkci detektoru. Perioda
této modulace bývá
zpravidla větší než 1ms.
Obr. 6.8: Princip buzení IR LED diod infračerveného detektoru překážek
detekujícího směr k překážce
PLC – hardware – ELE
-28-
Na obr. 6.7 je ukázaný její možný průběh.
Senzor založený na výše uvedeném principu bývá vhodný k detekci blízkého okolí robotu. Senzorický
subsystém mobilního robotu je vhodné vybavit alespoň dvěma takovými senzory. Pak je možné
detekovat polohu překážky například vlevo nebo vpravo. V praxi je toto v minimální konfiguraci řešeno
zpravidla dvojicí (trojicí) IR LED diod a IR přijímačem umístěným mezi nimi. Ten potom detekuje polohu
překážky podle toho, která IR LED generovala IR signál. Nejprve je v několika periodách generován
modulovaný signál levou IR LED (1). Jestliže se překážka nachází v pracovním dosahu citlivosti
detektoru, ten bude detekovat na svém výstupu překážku (2). Následně je provedena stejná procedura
pro pravou IR LED diodu (3).
Základní algoritmus pro buzení obou IR LED diod a čtení výstupní informace detektoru je uveden níže.
Mikroprocesor (mikrokontrolér) generuje pulzy o kmitočtu 36 kHz, kterými přímo budí IR LED diody a
zároveň analyzuje (odražený) IR signál vyhodnocený IR detektorem:
1. Levou IR LED diodu napájej obdélníkovým signálem o kmitočtu 36 kHz po dobu600 mikrosekund
(přibližně).
2. Čti výstup detektoru. Jestliže detekuje překážku (IR světlo), pokračuj následujícím bodem č. 3.
Pokud ne, pokračuj bodem č. 7.
3. Byl detekován odraz. Nyní vypni buzení levé IR LED diody a znovu se informuj,zda detektor stále
signalizuje přítomnost IR světla - nyní z jiného zdroje, např.dálkové ovládání televizoru - viz následující
bod.
4.
Levou IR LED diodu nenapájej po dobu 600 mikrosekund.
5. Znovu čti výstup IR detektoru. Ten by neměl detekovat žádný IR signál. Pokud je detekován,
pokračuj bodem č. 7.
6. Byla detekována překážka na levé straně. Informuj o tom např. nastavením příslušného bitu,
portu apod. Pokračuj bodem č. 8.
7.
Nebyla detekována překážka. Informuj o tom např. resetováním příslušného bitu,portu apod.
8.
Vrať se na začátek a proveď to samé pro pravou IR LED diodu.
Zjištění vzdálenosti k překážce
Popsané řešení tedy dokáže informovat o směru přítomnosti objektu (překážky) vlevo nebo vpravo v
určitém prostoru vymezeném vyzařovací charakteristikou IR LED. Není tedy detekována vzdálenost,
respektive víme, že pokud je překážka detekována, leží někde v maximálním dosahu senzoru.
Dosah (velikost) vyzařovacího diagramu je ovlivňován zejména těmito parametry:
■
výkonem emitovaného IR světla IR LED diodou,
■
citlivostí detektoru,
■
velikostí, tvarem, barvou a materiálem překážky od které se IR světlo odráží.
Informaci o vzdálenosti překážky nám výše uvedený postup tedy nemůže poskytnout.
Existuje však možnost, jak lze informaci o vzdálenosti k překážce orientačně zjistit. K tomu se nabízí
řídit jeden z výše uvedených parametrů, kterým ovlivníme dosah senzoru. Prakticky lze využít buď řízení
výkonu emitovaného IR světla IR LED diodou, nebo řídit citlivost IR detektoru. Těchto postupů se také v
praxi používá. Tyto metody jsou založeny na použití D/A převodníku budicího IR LED. Jiný přístup řízení
výkonu je dále ve stručnosti popsán.
PLC – hardware – ELE
-29-
Pokud budeme uvažovat řízení výkonu emitovaného IR světla, tak je nejprve IR LED dioda buzena
zlomkem jmenovitého proudem - bude generovat IR světlo o malém výkonu. Pokud je detekován
odraz, je možné prohlásit, že v minimální vzdálenosti se nachází překážka. Pokud odraz detekován
není, následuje postupné zvyšování výkonu emitovaného IR světla do té úrovně, kdy eventuální překážka
bude detekována. Tímto způsobem lze zjistit vzdálenost k překážce s rozlišitelností danou počtem
generovaných výkonových úrovní emitovaného IR světla. Při vyšším počtu výkonových úrovní je možné
celý proces urychlit metodou půlení intervalu.
Nyní zbývá vyřešit, jakým způsobem řídit výkon generovaného IR světla, respektive proudu IR LED
diodou. To je možné několika způsoby:
■ První způsob je použít D/A převodník pro buzení IR LED diody, viz předchozí.
■ Druhý je použit pro buzení IR LED diody pulzně šířkovou modulaci.
V případě řízení citlivosti IR detektoru je možné změnou modulačního kmitočtu emitovaného IR světla
dosáhnout programového snížení citlivosti IR detektoru a tím také v závislosti na této citlivosti zjistit
vzdálenost k detekované překážce.
Tyto dvě metody lze samozřejmě použít samostatně, popřípadě je kombinovat.
6.2.3
Typ IR senzoru - GP2D02
Jedná se o IR senzor firmy SHARP, který měří vzdálenost k překážce
na principu triangulace v rozsahu vzdálenosti od 10 do cca 80 cm.
Výstupní informace o změřené vzdálenosti k překážce je v rozsahu
0-225 vysílána v sériovém tvaru osmi bitů. Senzor lze snadno
připojit přímo na V/V linky mikroprocesoru.
Princip tohoto měření je jednoduchý. Na jedné straně senzoru je
vysílací IR LED dioda a na druhé straně je speciální IR citlivá dioda
s výstupním signálem úměrným místu osvitu (nikoli intenzitě). V
Obr. 6.9: princip měření pomocí
první fázi vyšle dioda paprsek. Ten se odrazí od překážky a přes
GPD02
čočku, která je součástí senzoru je přija IR citlivou diodou. Poloha,
ve které paprsek dopadne na fotodektektor, je závislá na vzdálenosti od překážky (obr. 6.
9).
http://ir.babjak.cz/
6.2.4
Sonary
Princip měření vzdálenosti k překážce je založen na
principu měření doby mezi vysláním akustického signálu a
přijetím odraženého akustického signálu - echa.
Nejběžnější frekvence akustického signálu jsou hodnoty
nad 40 kHz. Takové senzory jsou označovány jako
ultrazvukové sonary. Díky relativně nízké rychlosti zvuku
(ve vzduchu) je doba mezi vysláním a příjmem signálu
výrazně vyšší než u laserových a také IR senzorů. Proto lze
dosáhnout relativně vysoké přesnosti měření i bez
extrémních nároků na vyhodnocovací obvody. Díky tomu
Obr. 6.10: Problém odrazu akustického
signálu při práci více sonarů
PLC – hardware – ELE
-30-
je jejich cena poměrně nízká, ale perioda měření je vyšší (0,1 s). Nevýhodou je i vysoké tlumení
ultrazvukového signálu, což omezuje praktický dosah na desítky metrů. Vzhledem k poměrně
širokému rozptylu tohoto signálu není možno překážku detekovat zcela přesně, co se týče její úhlové
pozice. Dále je častým jevem tzv. křížový odraz - zaznamenání odrazu signálu vyslaného jiným
senzorem – obr 6.10. Problém se řeší buď sériovým měřením těchto senzorů v prodlevách,
zaručujících utlumení signálu předchozího měření, nebo vhodnou orientací těchto senzorů tak, aby
bylo riziko příjmu odraženého signálu co nejmenší. Dalším problémem bývá odraz ultrazvukového
signálu, který dopadá na hladký povrch překážky pod ostrým úhlem. Signál se odrazí dál směrem od
sonaru a zpětně se odrazí až od vzdálenější překážky. Sonarem je pak detekována vzdálenější
překážka. Proto by měla být časová prodleva mezi jednotlivými měřeními větší než prodleva
odpovídající maximálnímu dosahu sonaru.
Důležitou věcí je také rozvaha o umístění sonarů na robotu. Ta by měla vycházet z předpokládaného
nasazení robotu. Příklad řešení vhodného pro robot pohybující se v chodbách je na obr. 6.11. Jejich
umístění umožní plnit úlohy jako sledování zdi, jízdu koridorem a vyhýbání se překážkám. Senzory
Obr. 6.11: Využití ultrazvukových senzorů pro lokální navigaci
jsou umístěny ve speciální měřící hlavě v přední části robotu. Orientovány jsou tak, aby měřily
prostor v rozsahu přibližně 180°. Výhodou tohoto řešení je, že robot získá v případě nalezení rohu
informace dříve než od sonarů umístěných po obvodu robotu. Vzhledem k tomu, že jde o diferenčně
řízený robot, vedl by manévr provedený hned při zaznamenání volného prostoru těmito senzory ke
kolizi s hranou. Proto jsou na robotu další dva senzory umístěné v úrovni hlavních kol. Ty slouží
k povolení změny trajektorie.
Obr. 6.12: Sonar SRF 04
Obr. 6.13: Sled signálů a postup
měření sonaru SFR04
Obr. 6.14: Vyzařovací diagram
sonaru SRF04
PLC – hardware – ELE
-31-
Sonar SRF04 – je určen pro měření vzdálenosti objektu v rozmezí 3 cm až 3 m. Napájecí napětí
modulu sonaru je +5 V/50 mA. Kmitočet ultrazvukového signálu je 40 KHz. Sonar dokáže detekovat
překážku o průměru 3 cm na vzdálenost cca 2 m.
Postup ovládání sonaru je následující :
1. Start : na vstup sonaru vyslat pulz log. 1 o trvání minimálně
10µs.
2. Měření : měřit dobu pulzu na výstupu „Echo“.
3. Počkat minimálně 10 ms a pokračovat dalším měřením.
Vzdálenost k překážce je úměrná délce impulsu echo pulse output.
Pro ovládání tohoto zařízení je zapotřebí nadřazený mikropočítač,
který odstartuje měření vygenerováním impulsu logické jedničky
na vstupu trigger input (1). Na to reaguje mikroprocesor sonaru
vygenerováním osmi pulsů, které jsou výkonově zesíleny obvodem Obr. 6.15: Vícenásobné echo
MAX232 a přivedeny na rezonátor (2). Poté je výstup echo pulse
output sonaru nastaven na logickou jedničku. Je-li přijat odražený signál – echo, je výstup echo pulse
output uveden na logickou nulu. Není-li echo přijato do 18 ms, je tento výstup v 36. milisekundě
uveden do stavu logické nuly (3). Doba impulsu v signálu echo pulse output delší než 18 ms tedy
značí, že nebyl přijat žádný odražený signál, a v dosahu sonaru se tudíž nenachází žádná překážka,
resp. předmět, který je sonar schopen vyhodnotit s ohledem na jeho velikost, tvar a materiál.
Vzdálenost k překážce je rovna polovině doby délky impulsu echa vynásobené rychlostí zvuku.
Vyhodnocení délky impulsu je v režii nadřazeného mikropočítače.
Sonar SRF08 – opět ultrazvukový detektor překážek. Je schopen měřit vícenásobné echo a na rozdíl
od sonaru SRF04 umožňuje nastavit řadu svých parametrů (rozsah měřené vzdálenosti, výkon
vysílače apod.). Hlavní výhodou tohoto sonaru je delší měřící dosah, nižší spotřeba a forma výstupu.
6.2.5
Kompas CMPS01
Tento kompas byl speciálně navržen pro navigační účely v oblasti robotiky a je dostupný v řadě
internetových obchodů. Poskytuje informaci o azimutu dvěma způsoby – formou PWM (impulsněšířková modulace) nebo pomocí I2C sběrnice. Přesnost měření je uváděna 3 až 4°s rozlišitelností 0,1°.
Kompas používá dvojici vzájemně kolmých senzorů magnetického pole založených na
magnetorezistivním jevu, který říká, že elektrický odpor magnetického materiálu je závislý na
velikosti a směru externího magnetického pole, v němž je materiál umístěn.
6.2.6
Modul a senzor pro sledování čáry
Jednou z častých činností autonomního chování je sledování čáry vyznačené na podlaze. Pro toto
detekování čáry je použita trojice IR senzorů tvořených výkonovou IR diodou a IR tranzistorem.
Předpokladem pro použití tohoto senzoru je tmavá barva čáry, která pohlcuje infračervené záření a
kontrastuje s barvou podlahy.
PLC – hardware – ELE
-32-
Obr.6.16: Ukázka různých stavebnic robotků http://www.hobbyrobot.cz/kits.htm
PLC – hardware – ELE
-33-
7 Vizualizace technologických procesů
7.1 Základní pojmy
Pro člověka je nejvýhodnější znázorňování informací v různých grafických podobách.
Charakteristickým rysem vizualizace je poměrně velký objem dat a jejich prezentace především v
grafické podobě tak, že je možno velmi rychle porozumět jejich obsahu a významu.
Historický vývoj ukazuje výhody grafické reprezentace údajů i v oblastech řízení technologických
procesů. Získávání a zpracování informací z řízeného děje vč. jeho grafického zobrazení se nazývá
vizualizace řízeného procesu. Do počítače s nainstalovaným speciálním programovým vybavením
připojeného komunikační linkou k ŘS se pravidelně přenáší důležité informace z řízeného děje, takže
obsluha má k dispozici nástroj k názornému sledování děje a případnému zásahu do něj. Programové
vybavení automaticky sleduje případné chybové nebo nezvyklé (tzv. alarmové) stavy, zaznamenává
parametry z řízeného děje a celkově tak děj monitoruje a jeho průběh archivuje. Obsluha nemusí
podrobně sledovat všechny údaje a může se zaměřit především na vlastní technologii.
Vizualizací, neboli zviditelněním, technologického procesuje má člověk možnost nejen do řízeného
děje zasahovat, sledovat jej, příp. reagovat na vzniklé situace, nýbrž průběh děje poznávat z hlediska
zákonitostí a vlastností, celý děj popsat, důležité vlastnosti děje archivovat, vytvářet předpisy pro
dosažení požadovaného výsledku a postupně tak vytvářet vyšší formu řízení s cílem eliminovat
rutinní práce a zvýšit kvalitu práce.
7.2 Vizualizační systém
Technickým vybavením vizualizačního systému rozumíme především:
• řídicí systém vybavený komunikačním rozhraním (obvykle RS-232C, RS-422,RS-485 apod.) vč.
potřebné programové podpory ze strany ŘS,
• komunikační linka konstruovaná pro dané prostředí (vhodný kabel, převodníky napěťových
úrovní apod.),
• počítač v odpovídající konfiguraci
• vhodný komunikační adaptér odpovídající typu komunikační linky,
• tiskárna,
• příp. síťová karta (pro připojení do hierarchicky vyšší sítě).
Mezi důležité vlastnosti vizualizačního programového vybavení řadíme především:
•
•
•
•
•
•
•
grafické znázornění řízeného technologického děje, příp. s možností animace scény,
popsání řízeného děje (tzv. parametrizace) formou receptur a jejich archivace,
archivace vybraných parametrů řízeného děje,
sledování a archivace zvláštních a chybových stavů (alarmů),
vytváření protokolu o průběhu řízeného děje (směnový protokol) a jeho archivace,
sledování vývoje (trendu) vybraných parametrů v čase a jejich archivace,
možnost zpětného vyvolání průběhu děje z archivu a zpracování vybraných parametrů.
PLC – hardware – ELE
-34-
Předpokládanou samozřejmou vlastností vizualizačního systému je bezproblémové propojení s ŘS.
Vizualizační systémy umožňují též vytváření větších technologických celků spojením více ŘS do sítě.
Obsluha tak má možnost sledovat více dílčích technologických dějů, které spolu nějakým způsobem
souvisí.
7.3 Jednoduché vizualizační systémy
Vizualizační systém lze vytvořit sestavením jednotlivých zařízení a aplikací programového vybavení,
které zajistí především tyto základní funkce:
■
■
■
■
pravidelný přenos aktuálního obsahu datových registrů ŘS do paměti počítače,
přiřazení významu datových registrů k jejich obsahu (parametrizace) a jejich
zobrazení (nejlépe v grafické podobě),
možnost změny vybraných parametrů řízeného děje a jejich zpětný přenos do
datových registrů ŘS,
možnost archivace parametrů na počítači a jejich zpětného vyvolání.
Prakticky všechny popsané funkce dnes splňují programové systémy určené pro programování ŘS,
pokud je provozujeme v režimu připojení (tzv. on-line). Grafická úroveň je ovšem poplatná danému
užití, tj. účelu programování a zpětnému přenosu informací z ŘS. Některé programovací systémy
podporují i přenos dat ve formátech podporovaných dalšími programovými systémy. Příkladem je
PLC – hardware – ELE
-35-
např. podpora standardního formátu pro dynamickou výměnu dat DDE, takže v těchto případech lze
vytvořit uživatelský vizualizační systém využívající pro další zpracování údajů z řízeného procesu např.
Excel apod. Tento přístup je vhodný pro menší aplikace, kde by nebylo účelné aplikovat
specializovaný systém, nebo tam, kde se nepředpokládá obecný přístup k informacím, datům a řízení
celého procesu.
Příkladem programového vybavení umožňujícího tvorbu vlastních monitorovacích a řídicích
systémů je produkt PMS (firma PORT Praha), který umožňuje sestavit vlastní konfiguraci zařízení bez
znalosti programovacích jazyků formou spojení nabízených objektů s určitými vlastnostmi. Lze tak
vytvořit obraz sledovaných událostí formou grafů, tabulek, analogových a číslicových zobrazovačů a
ovládačů. Tento systém je určen pro prostředí Windows.
7.4 Control Panel
Systém Control Panel vyvíjený a dodávaný firmou Alcor-Moravské přístroje Zlín je objektově
orientovaný systém, který slouží ke generování měřicích, řídicích a regulačních programů pro PC.
Systém může být využit v široké škále aplikací. Tento systém zajišťuje v reálném čase sběr dat, jejich
zobrazování, archivaci a prezentaci, matematické zpracování a vyhodnocení dat a generování řídících
signálů pro řízený proces.
Návrh určité aplikace v prostředí Control Panel je vlastně vyšší formou programování. Uživateli je
umožněno vytvářet programy dvojím způsobem, a to pomocí textového nebo grafického editoru. Je
možné libovolně přecházet z jednoho do druhého dle potřeby a vlastního uvážení.
7.4.1
Základní úvahy při nasazení vizualizačního systému
Aplikování vizualizačního systému na konkrétní technologický proces vyžaduje zásadní systémové
řešení. Před započetím projekčních prací je nutné provést analýzu situace především z těchto
hledisek:
■ víme, jak rozsáhlou část technologie chceme vizualizačním systémem propojit?
■ je možno ekonomicky doložit přínos aplikace vizualizačního systému pro danou technologii v
určitém časovém horizontu?
■ jsme si vědomi toho, že vizualizace nepřinese zisk okamžitě po instalaci?
■ je možno definovat parametry technologie, se kterými bude vizualizační systém pracovat,
archivovat a dále používat (např. pro účely statistiky, receptur, sledování kvality výroby
apod.)?
■ je možno přijmout nebo vyškolit potřebný počet kvalifikovaných pracovníků pro obsluhu
vizualizačního systému?
■ jsme schopni a hlavně ochotni změnit zaběhnutý systém výroby, jejího řízení a systém
odměňování?
Pokud známe na všechny otázky pozitivní odpovědi, můžeme zahájit projekční přípravy aplikace
vizualizačního systému pro danou technologii.
PLC – hardware – ELE
-36-
8 Sériová komunikace
8.1 O sériové komunikaci obecně
Při sériovém způsobu předávání zpráv se jednotlivé bity znaků přenášejí v čase po sobě po jednom
vodiči. Původně tento způsob vznikl v telekomunikační technice, kde především šetřil spojovací
vedení. Z obdobných důvodů nachází uplatnění i ve výpočetní technice, a to i u místně soustředěných
systémů. Další možnosti je přenos dat po skleněných vláknech. Nové technologie v současné době
zcela vytlačují paralelní přenos a používají se i pro přenos dat mezi procesorem a pevným diskem.
Zjednodušeně lze říci, že základem sériového přenosu jsou dva posuvné registry. Do registru vysílače
mikroprocesor paralelně zavede vysílaný znak a ten se pak sériově vysouvá na vedení. Do registru
přijímače znak naopak vstoupí z vedení sériově a přebírá se z jeho paralelních výstupů. Jak však
uvidíme dále, nepřenáší se pouze čistá původní informace, ale i redundantní bity, které přidá vysílač a
které přijímač po kontrole odstraní.
V zásadě rozlišujeme dva způsoby sériové komunikace: asynchronní a synchronní.
Asynchronní způsob přenosu je založen na tom, že přenos každého znaku může být po skončení
přenosu znaku předchozího zahájen kdykoliv. Informace se přenášejí po vodičích. Jeden je určený
pro výstup vysílače a je označený zkratkou TxD (transmited data). Druhý je určený pro vstup dat a je
označený zkratkou RxD (received data). Sériový výstup TxD vysílače i vstup RxD přijímače jsou v klidu
na logické úrovni H. Vysílání se zahajuje startovacím bitem, tj. poklesem na L, podle kterého přijímač
pozná začátek přenosu znaku. Pak se v pravidelných okamžicích vysílají, popř. přijímají bity
přenášeného znaku, kterých může být (v závislosti na kódu) 5 až 8. Potom může, ale nemusí být
vyslán paritní bit a pak následuje 1 nebo I,5 nebo 2 ukončovací stop bity. Všechny takto vyslané bity
tvoří tzv. rámec (frame). Zdůrazněme několik skutečností :
− Přenos znaku sice začíná asynchronně, to znamená že následující znak může být vyslán
kdykoliv, ale vysílání a přijímání jednoho znaku probíhá synchronně, i když synchronnost tu
znamená pouze to, že frekvence nezávislých generátorů hodin vysílače i přijímače je shodná.
Požadavky na přesnost však nejsou velké, neboť každý start bit definuje nový referenční
okamžik.
− Doba přenosu jednotlivých bitů odpovídá rychlosti komunikace, která se udává v jednotkách
Bd (Baud - čti bód) - 1 Bd znamená 1 změnu od 0 k 1 nebo opačně za sekundu. Přitom přenos
bitů je úrovňový, tj. má-li za sebou 2 nebo více bitů, např. hodnotu 1, pak signál mezi nimi
neklesá k 0. Výše zmíněnému údaji o l,5 stop bitu je tedy třeba rozumět tak, že koncová část
rámce má hodnotu 1 po 1,5 doby vyhrazené pro 1 bit.
− Vysílač zjišťuje změny signálu mezi různými logickými hodnotami na hranici dob vyhrazených
pro bity. Aby se vyrovnala nesynchronnost hodinového signálu vysílače a přijímače, vzorkuje
přijímač každý bit uprostřed jeho intervalu. Jen u start bitu má význam už jeho sestupná hrana,
neboť ta umožní činnost přijímače. Ten však tento bit verifikuje rovněž vzorkováním v
nominálním středu intervalu a začne znak přijímat jen při dostatečné délce start bitu.
− Jestliže je pro přenos dat vyžádáno generování a kontrola paritního bitu, přijímač paritu
kontroluje a v případě nesouhlasu nastaví indikátor chyby parity PE = 1 (parity error).
− Parita je nejjednodušší kontrola správnosti přeneseného byte. Může být sudá nebo lichá. Např.
pokud budeme mít sudou paritu, pak vysílač spočítá počet jedničkových bitů ve vysílaném byte.
Pokud výsledek je sudé číslo, doplní do paritního bitu 0, jinak 1 – tak, aby výsledný počet bitů
PLC – hardware – ELE
-37-
byl sudý. Přijímač při příjmu byte rovněž počítá počet jedničkových bitů a stanoví paritní bit. Ten
porovná s příchozím.
− Přijímač kontroluje stop bit, a pokud v jeho době zjistí úroveň L, nastaví indikátor chyby rámce
FE = l (framming error).
Synchronní způsob přenosu se v mikropočítačích používá a uplatňuje hlavně pro rychlé přenosy
velkého množství informací. V telekomunikacích je to přenos přes modemy a ve výpočetní technice
např. výměna bloků informací mezi procesorem a velkokapacitní vnější pamětí. Značná délka
souvislých zpráv a požadavky na rychlost přenosu i úsporu času na vedení vyžadují, aby přenášené
znaky obsahovaly co možná nejméně redundantních bitů a aby následovaly za sebou v pravidelném
těsném sledu. Odpadají tu tedy start bity a stop bity a přijímač i vysílač musí po celou dobu zprávy
pracovat přísně synchronně. Toho lze dosáhnout buď souběžným přenosem hodinového signálu, což
je dosti nepraktické, nebo vhodným způsobem modulace, kdy signál nese nejen data, ale i
synchronizační informaci. Nepravidelnost příchodu dat od mikropočítače k vysílači se vyrovnává tím,
že se do mezer automaticky vkládají speciální znaky, které přijímač využije při synchronizaci, ale které
ze zprávy odstraní.
Při synchronním přenosu vysílač i přijímač generují nebo přijímají různé, pomocné signály.
8.2 Popis rozhraní
Rozhraní je styčný prvek nebo jednotný formát styku mezi vstupně výstupními zařízeními. Definuje
jeho fyzické a logické vlastnosti.
8.2.1
Proudová smyčka
Za jedno z nejstarších a přitom používaných sériových rozhraní lze považovat rozhraní s přenosem
informací pomocí proudu (proudová smyčka). Datový signál není u tohoto typu přenosu dat
interpretován dvěma úrovněmi napětí, nýbrž dvěma proudovými stavy: proud nevede = log. 0, proud
vede = log. 1 (většinou se používá proud 4 – 20mA).
Na obr. 8.1 je uvedeno principiální schéma realizace přenosového kanálu proudovou smyčkou.
Zdrojem proudu je zdroj G, odporem R se nastaví předepsaný proud i linkou při uzavření smyčky
klíčovacím spínačem S. Na straně příjemce značí K přijímací relé. Stav log. 0 se vytvoří rozepnutím
spínače S, kdy proud linkou neteče (i = 0), stav log. 1 sepnutím spínače S.
V počítačové technice se setkáme s komunikační proudovou smyčkou s proudem 20mA (při stavu
log. 1 ). Nejčastěji se při přenosu dat tímto druhem rozhraní používá abeceda ISO-7 a odvozené
(ASCII). Na obr. 8.1 jsou uvedena schémata přijímače a vysílače a způsoby propojení zdroje,
přijímače a vysílače při přenosu proudovou smyčkou. Nejčastěji se rozhraní realizuje pomocí
optronů. Převod paralelního kódu znaků na sériový tok při vysílání a sériového toku na paralelní kód
Obr. 8.1: Princip proudové smyčky a optické oddělení
PLC – hardware – ELE
-38při
přijímání lze
realizovat bud'
programově nebo technickými prostředky.
Dnes se tento způsob přenosu používá
hlavně v analogové technice a i zde jej
vytlačuje sériový přenos přes rozhraní RS
485.
8.2.2
Popis rozhraní RS-232C
V roce 19ó2 bylo u americké asociace pro
elektronický průmysl EIA normováno
sériové rozhraní dnes známé pod názvem
normy EIA RS-232. Poslední úprava této
normy s příponou "C" je platná dodnes.
Toto rozhraní bylo později též normováno
doporučením CCITT (mezinárodní komise
pro telekomunikaci} pod článkem V.24
(odtud přeneseně "rozhraní V.24"). Z
Obr. 8.2: Logické úrovně RS232C a přenos 1 byte
hlediska druhu a způsobu přenosu dat se u
rozhraní RS232C používá asynchronní přenos dat. Plná definice rozhraní RS-232C (resp. V 24)
obsahuje kromě vlastních datových signálů též signály řídicí pro řízení přenosu informací mezi
dvěma koncovými zařízeními pro přenos dat. Řízení přenosu je především záležitostí technických
prostředků.
Z elektrického hlediska se u rozhraní RS-232C používají tzv. nesymetrické vazební obvody podle
doporučení CCITT V.28. Doporučení RS-232C tedy definuje funkci obvodů rozhraní a doporučení
V.28 způsob jejich elektrické realizace. Přiřazení minimálních úrovní signálu (v absolutní hodnotě)
jeho logickým hodnotám je uvedeno na obr. 8.2. Napájecí napětí obvodů je maximálně _+ 15 V. Pro
účely jednoduché realizace rozhraní podle doporučeni RS-232C byla navržena řada obvodů pro
převod úrovní TTL na V.28 a naopak (např. dříve řada komunikačních obvodů 75xxx, nyní spíše
obvody odvozené od MAX232 a j. Potřebné napětí 10V generuje integrovaný měnič napětí).
Obr. 8.3: Obvod MAX232
PLC – hardware – ELE
8.2.3
-39-
RS 422, RS 485 a srovnání s RS 232
Komunikace po lince RS232 je nejběžnější, protože rozhraní RS232 má vyveden každý běžný počítač.
Používá se pro připojení zařízení komunikujících maximální rychlostí 115.2 kBd
RS 422, a RS 485 se používá v průmyslovém prostředí a v systémech pro řízení a přenos dat
(maloobjemových).
Jaký je tedy mezi RS 232 a RS 422 a RS 485 rozdíl? Signály RS 232 jsou reprezentovány napěťovými
úrovněmi vzhledem k zemi. Kromě vodičů pro přenos dat - RxD a TxD obsahuje ještě další vodiče pro
řízení toku dat. Tyto pomocné řídící signály nejsou obsaženy v linkách typu RS422 ani RS485 a musí
být nahrazeny komunikačním protokolem. Zatímco linka RS232 pracuje s úrovněmi typicky –12V a
+12V, úrovně linky RS 485 nebo RS 422 jsou menší, typický rozdíl mezi vodiči je 2V. RS 232C má pro
každý signál jeden vodič a společný zemní vodič, vůči němuž jsou napěťové úrovně vztaženy. Tento
způsob je vhodný pro point-to-point komunikaci při nízkých rychlostech. Například na port COM 1 u
PC může být připojená myš, na COM 2 modem atd. To je příklad point-to-point komunikace, jeden
port, jedno zařízení – tedy nemožnost větvení.. Zapojení signálů vyžaduje společnou zem, tudíž se
dostáváme k omezené délce vodičů – maximálně cca 30 až 60 metrů (hlavní roli hraje odpor
dlouhého vedení a snadná zarušitelnost). V krátkosti tedy, RS 232 bylo vyvinuto pro komunikaci
lokálních zařízení a podporuje jeden vysílač a jeden přijímač.
Z toho vyplývá i základní doporučení pro provedení linky RS485 nebo RS422 – není-li k dispozici
zkroucený (twistový) pár vodičů, je třeba použít alespoň tak vedené vodiče, aby se do obou
indukovaly poruchy shodně.
Aby přijímač mohl pracovat diferenciálně, nesmí být rozdíl mezi zemí vysílače a zemí přijímače větší
než 7V. V opačném případě se vstupy přijímače zahltí a dojde k přerušení komunikace. Proto je
nezbytné používat linky RS485 a RS422 vždy s galvanickým oddělením, jinak se jejich výhody ztratí.
RS 422 a RS 485 používá pro každý signál jeden twistedpair (TP) vedení, tj. 2 vodiče smotané kolem
sebe. Z elektrického hlediska mluvíme tzv. balanced data transmision, nebo také differential voltage
transmission. Každý ze signálů linky je tak přenášen po dvojici vodičů. Vodiče označované A a B jsou
vysílačem buzeny v protifázi a přijímač vyhodnocuje jejich napěťový rozdíl. Tímto principem se
odstraní součtové (aditivní) rušení. Laicky řečeno, označíme-li si jeden vodič z TP jako A druhý jako
B, pak je-li signál neaktivní, je napětí na A záporné a na B kladné. V opačném případě, signál je
aktivní, je A kladné a B záporné. Pochopitelně se jedná o rozdíl (diferenci) mezi vodiči A a B. Pro RS
422 a RS 485 může délka vedení dosahovat až 4000 stop (cca 1600 metrů) a běžně vyráběné obvody
dosahují přenosových rychlostí 2.5 Mb/s.
Jaký je rozdíl mezi RS 422 a RS 485? Elektrický princip je stejný: Obojí používá diferenční vysílače s
alternujícím napětím 0 a 5V. RS 422 je však určena, podobně jako RS 232, pro point-to-point
komunikaci. RS 422 používá dva oddělené TP vodiče a data mohou být přenášena v obou směrech
současně. RS 422 se často používá na prodloužení vedení RS 232, nebo v průmyslovém prostředí.
RS 485 se používá pro multipoint komunikaci, více zařízení může být připojeno na jedno signálové
vedení. Stejně jako například sítě ETHERNET. Většina RS 485 systémů používá Master/Slave
architekturu, kde má každá slave jednotka svojí unikátní adresu a odpovídá pouze na jí určené
pakety. Tyto pakety generuje Master (například PC) a periodicky obesílá všechny připojené slave
jednotky.
Zde budeme hovořit především o Master/Slave architektuře, protože na 95% aplikací to stačí. Ve
speciálních případech (zabezpečovací systém atd..) se však používá vylepšená obdoba tzv.
PLC – hardware – ELE
-40-
multiprocesorové komunikace známé z procesorů 8X51. Tento systém používá pouze jedno vedení na
obousměrnou komunikaci, ale není určen žádný Master. Všechna zařízení ohlašují odeslání paketu o
určité délce a zároveň poslouchají, zda byla data v pořádku odeslána. Pokud se tak nestalo, zastaví
komunikaci a čekají, co se stalo. V té době je možno po lince přenést urgentní pakety. Tento systém
se výborně hodí např. pro zařízení, která potřebují ihned přenést zařízení velmi důležitá a aktuální
data, aniž by čekala, až na něj přijde řada a Master mu dá příležitost. V praxi je však přenos
užitečných dat výrazně menší, než v prvním případě (cca o 30% méně efektivní).
V Master/Slave architektuře slave nikdy nezačíná komunikaci. Je tedy pochopitelné, že master musí
vysílat správné adresy.
RS 485 existuje ve dvou variantách: 1 TwistedPair a 2 TwistedPairs
Single TwistedPair RS 485
V této verzi jsou všechna zařízení připojená na jeden TwistedPair. Všechna tudíž musí mít třístavové
budiče (včetně Master). Komunikace probíhá po tomtéž vedení v obou směrech. Je tedy důležité, aby
nezačalo vysílat více zařízení najednou, což je softwarová záležitost.
Double TwistedPair RS 485
V tomto zapojení Master nemusí mít třístavový výstup, protože Slave zařízení vysílají do druhého
twistedpairu, určeného pro komunikaci od Slave zařízení k Masteru. Toto řešení často umožňuje
implementovat multipoint řešení v systémech, které byly původně (jak HW, tak i SW) určeny pro RS
232. Samozřejmá je ovšem nutnost úpravy Master software tak, aby obesílal všechny Slave zařízení
dotazovacími pakety. Zřejmé je také zvýšení datové propustnosti při větších objemech dat.
Někdy je možné vidět RS 485 systém v point-to-point zapojení, je to vlastně virtuálně totožné s RS
422 s tím, že není využita možnost vysoké impedance na výstupu budiče RS 485. Hardwarově je tato
možnost uvést výstup do vysoké impedance jediným rozdílem mezi obvody pro RS 485 a RS 422.
Balanced differential signals
Pro základní zapojení RS 422 a RS 485 systému potřebujeme IO budič s diferenciálními výstupy a IO
přijímač s diferenciálními vstupy. Do přenosového vedení se indukuje šum a rušení. Protože se však
signál přenáší twisted párem vodičů jdoucích stejnou trasou, je napětová diference (rozdíl napětí
mezi A a B) tohoto rušení téměř nulová. Vzhledem k diferenciální funkci vstupního zesilovače RS
422/485 přijímače je toto rušení eliminováno. Platí to také pro přeslechy ze sousedních vodičů, a pro
jakékoli jiné zdroje šumů, dokud nejsou překročeny napěťové hranice vstupních obvodů přijímacího
IO. Diferenciální vstup také eliminuje rozdíl zemních potenciálů vysílače a přijímače. Tato vlastnost je
velmi důležitá pro komunikaci mezi různorodými systémy, kde by jinak vznikaly veliké problémy např.
pro různé zdroje napájecího napětí atd. Použití TwistedPair kabelů a korektní terminace (pro
eliminování odrazů) dovoluje rychlost přenosu dat větší než 10Mbit/s a délky kabelů až 1,6 Km.
Všechny tyto výhody přinášejí i některé nevýhody. Z důvodu vyšší složitosti obvodů pro RS 422/485 je
poněkud vyšší i jejich cena. Vyšší rychlosti přenosu dat vyžaduje korektně zapojenou a přizpůsobenou
terminaci vedení, což způsobuje problém u zapojení, kde se mění počet připojených zařízení. A
konečně nutnost použít TwistedPair vodiče.
PLC – hardware – ELE
-41-
Obr. 8.4: Přenos jednoho signálu po lince RS485 nebo RS422. D je vysílač, R je přijímač
Každý signál v RS 232 unbalanced data transmission systému je reprezentován jako napěťová úroveň
vzhledem k zemi. Například TxD signál z COMx portu běžného PC má v klidovém stavu zápornou
úroveň a při vysílání dat se střídá mezi zápornou a kladnou úrovní. Amplituda se pohybuje
v záporném stavu mezi –15 až –5V a v kladném mezi +5 a +15V.
V Balanced differential systému generuje vysílač napětí od 2 do 7V (přibližně) mezi A a B výstupy.
Vysílač i přijímač jsou sice spojeny vodičem GND (zem), ale tento se nepoužívá pro určení logického
stavu na AB vodičích. Z toho tedy vyplývá již uvedená tolerance rozdílného zemního potenciálu u
vysílače a přijímače. Vysílače RS 485 mají Enable vstup, umožňující nastavit výstupy do stavu vysoké
impedance a tím sdílet na jednom TP několik zařízení. RS 422 vysílače tento vstup většinou nemají
(ale mít mohou). Napěťová úroveň většiny běžně prodávaných vysílačů je 0 a 5V. V klidovém stavu je
na B vodiči +5V a na A vodiči 0V.
RS 422/485 přijímače reagují na rozdíl napětí mezi A a B. Je-li Uab (rozdíl napětí mezi vodiči A a B)
větší než 200mV, pak je na výstupu přijímače definovaná logická úroveň. Pro Uab menší 200mV je log.
úroveň opačná.
Provedení linky RS485 a RS422
Provedení obou linek je na obrázcích 8.5 a 8.6. Jak již bylo uvedeno, obě linky přenášejí pouze data a
nepoužívají žádné řídící signály.
Obr. 8.5: Provedení nevětvené linky RS422.
Obr. 8.6: Provedení nevětvené linky RS485.
PLC – hardware – ELE
-42-
Linka RS422 používá jeden pár vodičů pro signál RxD a druhý pro signál TxD. Z toho vyplývá, že
použijeme-li linku RS422 k prodloužení přenosové vzdálenosti místo “třídrátové” RS232 (RxD, TxD,
GND), nic se nemusí na způsobu komunikace měnit a není tedy třeba ani zásah do software.
Linka RS485 používá jeden pár vodičů pro oba směry toku dat. Je tedy třeba směr komunikace
přepínat a to může být problém zvláště v případech, kdy s touto možností software nepočítá.
Přepínání směru komunikace jistě bude vyřešeno u zařízení, které obsahuje už standardně linku
RS485. Pokud však používáme zařízení s vyvedenou linkou RS232 (například počítač PC) a následným
převodníkem RS232/RS485, je třeba přepínání směru zajistit. Nejvhodnější způsob je použít pro
přepnutí některý volný řídící signál linky RS232 (například DTR nebo RTS), jeho ovládání však musí
umožnit použitý program (pozor při psaní takového programu pro PC – díky různým bufferům na
nových motherboardech to není úplně jednoduché).
Jestliže není signál pro přepnutí k dispozici, je jedinou možností použít převodník linky RS232 na
RS485 s automatickým přepínáním. I to má však úskalí. Takový převodník je stále přepnut na příjem z
linky RS485 a při zjištění dat vysílaných ze strany linky RS232 se přepne na vysílání. V režimu vysílání
však převodník zůstane ještě po nějakou dobu (protože nemůže přesně identifikovat konec dat).
Jestliže během této doby začne na linku vysílat někdo jiný, dojde ke kolizi a data nejsou přijata.
Problémy s přepínáním lze však po prozkoumání konkrétní situace téměř vždy vyřešit. Poslední
možností je použít linku RS422, která přepínání nepotřebuje.
U rozvětvených linek může být počet zařízení na lince maximálně 16, avšak existují přijímače s menší
zátěží, takže jich může být až 128. Linka by měla být provedena jako linie s krátkými odbočkami, ne
jako strom nebo hvězda.
Zakončení sběrnice
Impedanční zakončení linky RS485 nebo RS422 je věc dosti problematická. Samozřejmě je správné na
konce linky zapojit rezistor o shodné hodnotě s impedancí vedení a tím zabránit odrazům na vedení.
V praxi však nejsou obvykle používány vysoké rychlosti přenosu (typické jsou 9.6 kBd nebo 19.2 kBd)
a ani vedení nebývají správně provedena. Zakončení pak ztrácí smysl a jen snižuje úroveň signálu a
tím i odolnost proti poruchám. Proto je vhodné volit zakončení spíše větší, do 1000 Ohmů.
Mnohem důležitější než impedanční zakončení je definování klidového stavu linky. Protože při
komunikaci po lince RS485 nebo při rozvětvené lince RS422 se vysílače odpojují, dochází k dobám,
kdy na linku žádné zařízení nevysílá. V této době není stav linky definován a linka je extrémně citlivá
na indukovaná napětí (poruchy), které se jeví jako přicházející data. Proto je třeba definovat klidový
stav linky připojením rezistorů podle obrázku (předpokládáme, že v klidu je vodič b zápornější než
vodič a).
a
b
Obr. 8.7: Definování klidového stavu linky.
PLC – hardware – ELE
-43-
Odpor Rt je zakončovací (např. 150Ohmů), odpory R1 a R2 definují klidový stav (oba asi 470Ohmu až
1Kohm). Vcc a GND jsou lokální napájení a zem budiče.
Co je vodič a a co je vodič b
Rozpoznání vodičů linky RS485 nebo RS422 není složité, ale ve značení je zmatek. Vodiče a a b bývají
různě značeny u různých výrobců a ani z normy EIA není zřejmý jejich vzájemný potenciál v klidovém
stavu. Pokud tedy označení vodičů není jasné, je jediným řešením uvést zařízení do klidového stavu
při vysílání a polaritu změřit, nebo prohozením správné zapojení najít. Přehozením vodičů nelze
budiče linky zničit, přímo norma předepisuje proudové omezení.
Protokoly
V historii byla řada pokusů o zavedení standardních komunikačních protokolů na sériových linkách,
avšak žádný z nich se neujal. Typy komunikace jsou standardní maximálně pro zařízení od jednoho
výrobce. Tato skutečnost komplikuje připojení více různých zařízení na jednu linku, protože dochází
ke kolizím dat.
Proudová smyčka
Pro komunikaci na větší vzdálenosti se dříve používala také proudová smyčka 0/20mA (pozor,
nezaměňovat se smyčkou 0(4) až 20 mA pro přenos analogových veličin). Její vlastnosti jsou však u
vyšších rychlostí horší než u linek RS485 a RS422, proto pro nová zařízení není vhodná a v praxi se
příliš nepoužívá.
Závěr
Linky RS485 nebo RS422 lze doporučit pro nejrůznější přenosy dat v průmyslovém prostředí. Při
správném provedení je spolehlivost přenosu v porovnání s linkou RS232 nebo proudovou smyčkou
vysoká.
8.2.4
Sběrnice I2C
Sběrnice I2C (Inter-IC bus) je dvouvodičové datové propojení mezi jedním nebo několika
procesory (master) a speciálními periferními součástkami (slave). Všechny součástky jsou
připojeny na tutéž sběrnici a je možno se na ně cíleně obracet prostřednictvím jejich adres.
Adresy i data se přenášejí týmiž linkami. Tato sběrnice umožňuje jednoduché propojení
mnoha integrovaných obvodů a bezproblémové dodatečné rozšiřování.
Připojit je možno všechny integrované obvody, které ovládají speciální protokol sběrnice. Kromě
pamětí RAM, EEPROM, součástek pro rozšíření portů, A/D a D/A převodníků a obvodů hodin se
dodává řada speciálních obvodů, například budiče displejů nebo integrované obvody pro televizní
techniku. Všechny tyto součástky je možno bez problémů přímo ovládat pomocí dvou linek
paralelního rozhraní PC. Po přidání několika dodatečných součástek je možno použít i sériové
rozhraní.
Sběrnice používá sériovou datovou linku SDA a hodinovou (taktovací) linku SCL. Data a adresy se
podobně jako u posuvných registrů přenášejí společně s hodinovým taktem. Obě linky je možno
používat pro přenos dat v obou směrech. Každá z nich je opatřena zdvihacím odporem a může být
„stažena" na nízkou úroveň každým účastníkem sběrnice prostřednictvím výstupů s otevřeným
kolektorem.
Obrázek 8.8 ukazuje princip zapojení sběrnice. Neaktivní účastníci sběrnice mají vysokoohmové
výstupy, avšak signály na sběrnici neustále vyhodnocují. Použije-li se jen jeden master, vydává
hodinový signál jen on. Data však mohou přicházet od prvku typu master i slave.
PLC – hardware – ELE
-44-
Protokol sběrnice I2C má řadu přesně definovaných situací, které každému účastníku sběrnice
umožňují rozpoznat začátek a konec přenosu a také adresy:
Klidový stav: SDA i SCL jsou na vysoké úrovni a tudíž neaktivní.
Podmínka zahájení přenosu (start): Master stáhne SDA na nízkou úroveň, SCL zůstává na vysoké
úrovni.
Podmínka ukončení přenosu (stop): SDA přejde z nízké na vysokou úroveň, SCL zůstává na vysoké
úrovni.
Přenos dat: Příslušný vysílač vyšle na
datovou linku SDA postupně osm datových
bitů, které se posouvají hodinovými
impulsy na lince SCL, vysílanými prvkem
master. Přenos začíná bitem s nejvyšší
váhou.
Potvrzení
(Acknowledge):
Příslušný
mezi obvody typu master a slave na
přijímač potvrzuje příjem bytu nízkou Obr.8.8: Propojení
sběrnici I2C
úrovní na SDA, dokud master nevyšle
devátý hodinový impuls na SCL. Toto potvrzení zároveň znamená, že se má přijímat další bajt.
Požadovaný konec přenosu se musí oznámit tím, že se nevyšle potvrzení. Vlastní ukončení přenosu se
dosáhne podmínkou stopu.
Adresy se přenášejí a potvrzují přesně stejně jako data. V nejjednodušším případě přenosu dat z
prvku master na prvek slavě, například u výstupního portu, se uskuteční následující činnosti: Master
vytvoří startovací podmínku a pak přenese v bitech 1 až 7 adresu portu a v bitu 0 požadovaný směr
přenosu dat, a to 0 pro „zápis". Adresovaný prvek slave potvrdí adresu. Master pak vyšle datový bajt,
který slave rovněž potvrdí. Master pak může spojení přerušit podmínkou stopu nebo předávat další
bajty dat témuž prvku slave.
Mají-li se číst data z prvku slave, musí se přenést adresa s nastaveným bitem směru přenosu dat.
Master vydá vždy osm hodinových impulsů a dostane osm datových bitů. Pokud potvrdí příjem
devátého bitu (prostřednictvím potvrzení ( acknowledge)), může přijímat další bajty. Přenos se ukonči
tím, že master nevydá podmínku potvrzení, nýbrž ukončení přenosu.
Každý prvek I2C má pevně stanovenou adresu, jejíž jedna část je charakteristická pro typ prvku a
druhá část je proměnná v závislosti na vyvedených adresních linkách. To znamená, že například v
případě tří vyvedených adresních linek může být na jednu sběrnici připojeno až osm prvků téhož
typu.
Maximální hodinová frekvence pro sběrnici I2C je 100 kHz.
Je samozřejmé, že programovatelné automaty využívají i jiné sběrnice pro komunikaci viz. str. 13,
4.2.
Komunikačních sběrnic je velké množství a výrobci PLC stále přicházejí s novými.
PLC – hardware – ELE
-45-
9 Použitá literatura :
1. PLC a automatizace, 1. základní pojmy, úvod do programování; Ladislav Šmejkal,
Marie Martinásková; BEN – technická literatura, Praha 2007
2. PLC a automatizace 2, sekvenční logické systémy a základy fuzzy logiky; Ladislav
Šmejkal; BEN – technická literatura; Praha 2005
3. Řízení a regulace pro strojírenství a mechatroniku; Dietmar Schmid a kol.; Europa –
Sobotáles; Praha 2005
4. Průmyslová elektronika a informační technologie; Heinz Häberle a kol.; Europa –
Sobotáles; Praha 2003
5. http.//hw.cz/O-nas-kontakty/automatizace.hw.cz/
6. http://tecomat.cz/
7. časopis AUTOMA č. 5/2007 Snímače teploty; Lubomír Smutný
8. časopis AUTOMATIZACE č. 1/2007 Smart kamery pro strojové vidění; Ing. Otto
Havle, CSc.
9. Využití rozhraní PC pod Windovs; Burkhard Kainka, Hans-joachim Berndt; HEL;
Ostrava 2000
10. Mobilní roboty; Petr Novák; BEN - technická literatura; Praha 2005
PLC – hardware – ELE
-46-
10 Obsah
1
2
3
4
5
6
7
8
V úvodu trochu historie PLC u nás ................................................................................. 2
Automatizace ve všech oborech ...................................................................................... 4
2.1 Počítače v automatizaci ............................................................................................ 4
2.2 Začlenění PLC do procesu........................................................................................ 4
Co se skrývá pod označením PLC ? ................................................................................ 5
3.1 Použití PLC .............................................................................................................. 6
3.2 Struktura typického PLC .......................................................................................... 7
3.3 Programovatelná řídící relé (PLC) ............................................................................ 9
3.4 Modulární PLC (podle dokumentace fy TECO)...................................................... 10
3.4.1 Binární vstupy a výstupy ................................................................................. 10
3.4.1 Analogové moduly (podle dokumentace fy TECO) ........................................ 12
3.4.2 Obvod reálného času a zálohovací baterie ....................................................... 12
3.4.3 Příjem dat........................................................................................................ 12
3.4.4 Speciální moduly ............................................................................................ 13
3.4.5 Chybové relé ................................................................................................... 13
PLC TECOMAT FOXTROT ........................................................................................ 14
4.1 Vlastnosti systémů TECOMAT FOXTROT ........................................................... 14
4.2 Komunikace ........................................................................................................... 14
4.2.1 Výstavba rozsáhlého systému .......................................................................... 15
4.2.2 Distribuované systémy řízení .......................................................................... 15
Sběrnice a adresace ....................................................................................................... 17
5.1 Realizace číslicových výstupů ............................................................................... 18
5.2 Realizace číslicových vstupů .................................................................................. 19
5.3 Analogové vstupy .................................................................................................. 20
Mobilní roboty.............................................................................................................. 22
6.1 Interní senzory ....................................................................................................... 23
6.1.1 Senzory natočení ............................................................................................. 23
6.1.2 Inkrementální senzor ....................................................................................... 24
6.1.3 Počítačová myš ............................................................................................... 25
6.1.4 Absolutní senzor ............................................................................................. 25
6.1.5 Otáčkoměry .................................................................................................... 26
6.2 Externí senzory ...................................................................................................... 26
6.2.1 Taktilni senzor ................................................................................................ 26
6.2.2 Infračervený detektor překážek ....................................................................... 27
6.2.3 Typ IR senzoru - GP2D02 ............................................................................... 29
6.2.4 Sonary............................................................................................................. 29
6.2.5 Kompas CMPS01............................................................................................ 31
6.2.6 Modul a senzor pro sledování čáry .................................................................. 31
Vizualizace technologických procesů ........................................................................... 33
7.1 Základní pojmy ...................................................................................................... 33
7.2 Vizualizační systém ............................................................................................... 33
7.3 Jednoduché vizualizační systémy ........................................................................... 34
7.4 Control Panel ......................................................................................................... 35
7.4.1 Základní úvahy při nasazení vizualizačního systému ....................................... 35
Sériová komunikace ..................................................................................................... 36
8.1 O sériové komunikaci obecně ................................................................................. 36
8.2 Popis rozhraní ........................................................................................................ 37
8.2.1 Proudová smyčka ............................................................................................ 37
8.2.2 Popis rozhraní RS-232C .................................................................................. 38
PLC – hardware – ELE
9
-47-
8.2.3 RS 422, RS 485 a srovnání s RS 232 ............................................................... 39
8.2.4 Sběrnice I2C .................................................................................................... 43
Použitá literatura :......................................................................................................... 45
Download

PLC – hardware – ELE - Střední průmyslová škola Zlín