PLC – hardware - STR
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 – STR
-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 – STR
-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 – STR
-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 ŘS (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 – STR
-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 Měření neelektrických veličin
Základní prvky informující o stavu a činnosti technického zařízení jsou snímače, převádějící
zvolenou technickou veličinu na vstupu na tzv. měronosnou veličinu na svém výstupu. Technická
veličina může být měřena dvěma způsoby:
přímo na základě její definice – Ohmův zákon
nepřímo – vychází se ze známé jednoznačné funkční závislosti měřené veličiny na jiné měřené
veličině
Snímače dělíme podle různých kritérií:
a) Podle vstupního signálu (podle měřené veličiny) – snímače mechanických, tepelných,
chemických, akustických, magnetických a jiných veličin
b) Podle elektrického výstupního signálu
– aktivní: generátorové snímače indukční, termoelektrické, piezoelektrické, pyroel. apod.
- pasivní: parametrické snímače indukčnostní, odporové, kapacitní
c) Podle použitého fyzikálního principu
3.1 Snímače teploty
Teplota je jednou z nejdůležitějších fyzikálních veličin. Ovlivňuje téměř všechny stavy a procesy v
přírodě i technice. Pominou-li se klasické rtuťové a kovové bimetalové teploměry, používají se
obvykle k měření teploty standardní měřicí řetězce sestavené z čidla, převodníku a vyhodnocovací a
zobrazovací jednotky. Převod teploty na elektrický signál zajišťuje čidlo, jehož signál se v převodníku
zesiluje, upravuje a většinou digitalizuje a vyhodnocovací jednotka ho ve vhodném tvaru zobrazuje a
popř. dokumentuje. Převodník a vyhodnocovací jednotka zpravidla tvoří jeden celek, nabízený jako
inteligentní (smart) snímač teploty.
3.1.1 Principy snímání teploty
Teplota je v průmyslové praxi nejčastěji sledovanou či regulovanou veličinou a její přesné měření je
nejčastěji prováděným měřicím úkonem. K měření teploty se využívá mnoho různých funkčních
principů. Přes rostoucí význam bezkontaktních měřicích metod se teplota v průmyslu nejčastěji měří
kontaktními metodami.
PLC – hardware – STR
-6-
Tab. č.1: Přehled principů a vlastností snímačů teploty
Název skupiny
snímačů teploty
dilatační snímače
elektrické snímače
Fyzikální princip
Provedení teploměru
Rozsah
použití
(° C)
změna tlaku
plynový
–5 až +500
změna tlaku parní náplně
tenze par
–50 až
+400
objemová roztažnost
kapalinový
–200 až
+750
délková roztažnost
kovový
–50 až
+900
termoelektrický jev
termočlánek
–200 až +2
800
změna elektrického odporu
odporový kovový
–250 až
+900
změna prahového napětí
odporový polovodičový,
diodové senzory
–200 až
+300
bod měknutí
keramické žároměrky
600 až 2
000
bod tání
teploměrná tělíska
100 až 1
300
změna barvy
teploměrné barvy
40 až 1
350
zachycení veškerého tepelného záření
širokopásmové pyrometry
–40 až +5
000
zachycení úzkého svazku tepelného
záření
monokrystalické pyrometry
100 až 3
000
porovnání dvou svazků tepelného
záření o různých vlnových délkách
poměrové pyrometry
700 až 2
000
snímání teplotního obrazu tělesa
termovize
–30 až 1
200
speciální teploměry
bezdotykové
snímače teploty
3.1.2 Odporové snímače teploty
Kovová odporová čidla
Atomy v krystalové mřížce kovů s rostoucí teplotou zvětšují amplitudu svých kmitů, a kladou tak větší
odpor průchodu elektronů. To je zjednodušená představa závislosti elektrického odporu kovů na
teplotě, která je principem kovových odporových čidel teploty.
PLC – hardware – STR
-7-
Jako citlivý materiál se pro výrobu kovových odporových
čidel teploty většinou volí platina pro její chemickou
netečnost, časovou stálost, vysokou teplotu tavení a také
pro možnost dosáhnout vysoké čistoty materiálu. Vedle
platiny jsou to také nikl, měď, molybden nebo některé
slitiny.
Standardní hodnota odporu platinového čidla teploty je
100 Ω při teplotě 0 °C. Vedle těchto standardních čidel,
označovaných jako Pt100, se vyrábějí též platinová čidla
se jmenovitými odpory 50, 200, 500, 1 000 a 2 000 Ω.
Vedle čidel s již uvedenými měřicími rozsahy se vyrábějí
také vysokoteplotní čidla do teploty až 1 100 °C.
Obr. 3.1: Teplotní závislosti vybraných
odporových čidel teploty (Pt, Ni, NTC –
termistorový teploměr)
Polovodičová polykrystalická čidla
Čidla teploty z amorfních a polykrystalických polovodičů jsou známa pod názvem termistor. Podobně
jako u kovových se u nich využívá závislost elektrického odporu materiálu na teplotě. Na rozdíl od
kovů je ale princip vodivosti polovodičů odlišný, a proto jsou jiné i vlastnosti těchto čidel. S rostoucí
teplotou koncentrace nosičů náboje roste, a tudíž elektrický odpor polovodičového materiálu klesá.
Zatímco je snaha tento jev u klasických polovodičových součástek potlačit, u termistorů je naopak
snaha ho vhodným materiálovým složením a způsobem výroby zvýraznit. Teplotní závislost
termistorových teploměrů má exponenciální charakter (NTC viz obr. 3.1).
Pro některá použití jsou zajímavé velmi malé rozměry tzv. perličkových termistorů, jejichž malá
tepelná kapacita zkracuje časovou konstantu čidla na jednotky sekund, a zvětšuje tak rychlost jeho
odezvy na změny teploty. Často se používají např. pro monitorování povolené teploty vinutí
elektrických strojů. Široké uplatnění mají termistory v měřicích a řídicích obvodech automobilů, např.
pro měření teploty provozních kapalin (voda, olej) nebo v klimatizačních a topných systémech.
Polovodičová monokrystalická čidla
Polovodičová monokrystalická čidla teploty lze vyrobit z křemíku, germania nebo india, v praxi se
však lze setkat pouze s křemíkovými senzory. Teplotní závislost odporu křemíku je v tomto rozsahu
teplot dána teplotní závislostí pohyblivosti nosičů (tzv. nevlastní elektronová vodivost podmíněná
přítomností cizích prvků). S růstem teploty, podobně jako je tomu u kovů, se vlivem rozptylu nosičů
náboje na mřížce polovodiče zmenšuje pohyblivost těchto nosičů a odpor senzoru se v závislosti na
teplotě parabolicky zvětšuje.
3.1.3 Termoelektrické teploměry
Termoelektrický jev je přímou přeměnou rozdílu teplot na elektrické napětí. V místě vodivého
spojení dvou kovů s různou výstupní prací elektronů difundují elektrony z jednoho kovu do druhého.
Na srovnávacím konci naměříme termoelektrické napětí úměrné rozdílu teplot měřícího a
srovnávacího konce.
Termočlánek je zdroj elektrického proudu, používaný především jako čidlo teploty.
PLC – hardware – STR
-8-
Tab.2: Základní vlastnosti vybraných termoelektrických čidel teploty (termočlánků)
Termočlánek
Použití
složení
CU-CuNi
Fe-CuNi
NiCr-NiAl
PtRh-Pt
označení
T
J
X
S
trvale
krátkodobě
–200 až +400 –200 až +750 –200 až +1 250 0 až +1 300
°C
°C
°C
°C
+600 °C
+900 °C
+1 300 °C
+1 800 °C
Střední termoelektrické napětí (mV/100
°C)
4,25
5,37
4,8
0,64
Odolnost v oxidačním prostředí
malá
malá
velká
velká
Odolnost v redukčním prostředí
–
velká
malá
malá
Obr. 3.2: Závislost termoelektrického napětí na rozdílu teplot
měřicího a srovnávacího spoje u vybraných termočlánků
V současné době se stále častěji
využívá
úprava
výstupního
signálu
přímo
v
hlavici
termočlánkového snímače, neboť
přenos nízkonapěťových signálů
trpí rušením. Proto je měřicí
řetězec koncipován tak, že na
výstupu
je
buď
zesílený
analogový proudový signál (4 až
20 mA), nebo číslicový signál
podle
vybrané
průmyslové
komunikační sběrnice (např.
HART, CAN, Profibus), jak ukazuje
obr. 3.3.
3.1.4 Netradiční snímače teploty –
optovláknová čidla
V praxi existují případy, kdy nelze k měření
teploty použít „standardní metody“ (měření
teploty v prostředí s nebezpečím výbuchu
Obr. 3.3: Termočlánkový měřicí řetězec s
apod.). Pak přicházejí na řadu optické metody –
číslicovým výstupem
optovláknové senzory teploty, využívající změnu
šíření světla vláknem nebo jeho odrazu na konci vlákna v důsledku změny teploty. Optovláknové
senzory teploty sice nejsou příliš hromadně rozšířeny, zejména pro poměrně vysoké ceny, ale měří
teplotu i tam, kde jiné běžnější principy měření selhávají nebo je nelze, z principu nebo z
bezpečnostních důvodů, použít.
PLC – hardware – STR
-9-
Obr. 3.4: Optovláknový senzor –
principy:
a) změna fáze světla
prostřednictvím změny odrazu
složek světla,
b) změna amplitudy
procházejícího světla
prostřednictvím deformace
(změny útlumu) vlákna
3.1.5 Inteligentní snímače
teploty
Vývoj nových typů čidel na bázi
křemíku umožnil integrovat měřicí
převodníky
s
obvody
pro
zpracování
signálu
do
jednoduchého a kompaktního
pouzdra se standardním napájením
a malou spotřebou. Významného
úspěchu je dosaženo začleněním
jednočipového mikropočítače do
struktury snímače, který je nyní
technicky i programově uzpůsoben
pro danou měřicí úlohu – na rozdíl
od tradiční struktury měřicího
subsystému. Inteligentní (smart)
senzory mohou být dynamicky
programovány podle požadavků
uživatele, což podstatně zlepšuje
jejich užitné vlastnosti.
Obr. 3.5: Blokové schéma inteligentního (smart) snímače
teploty
Inteligentní
senzory
různých
výrobců se liší konkrétním uspořádáním obvodového zapojení i doplňujícím vybavením (např.
vestavěný dvoupolohový regulátor, paměť měřených hodnot, nastavení mezí, automatická kontrola
funkce, kalibrace apod.). Přes poměrně složité zapojení jsou inteligentní převodníky velmi kompaktní
přístroje s malými rozměry. Přispěly k tomu zejména výrazné pokroky v mikroelektronice. Inteligentní
převodníky teploty jsou určeny k přímému použití ve výrobních provozech a tomu odpovídá i jejich
provedení pro montáž přímo do hlavice teploměru, do panelu či na montážní lištu apod.
Hlavním předpokladem správného měření je vhodné umístění snímače teploty, aby byl zajištěn co
nejdokonalejší styk čidla teploty s měřeným prostředím, a tím správný přestup tepla do něj.
PLC – hardware – STR
-10-
3.2 Smart kamery pro strojové vidění
Smart kamera (inteligentní kamera) je specializovaným prostředkem pro realizaci strojového
vidění (machine vision). Historie počítačového vidění
se začíná psát v 70. letech 20. století, kdy existující
počítače umožnily zpracování velkého objemu dat,
který je spojen s obrazovou informací. Strojové
vidění, které je vlastně využitím počítačového vidění
Obr. 3.6: Schéma systému strojového vidění
v průmyslové automatizaci, je charakterizováno
vazbou na výrobní proces a orientací na typické
úlohy výroby - vizuální inspekci, počítání objektů, hledání defektů. Pro plnění těchto úkolů je systém
strojového vidění vybaven vazbou na výrobní proces - vstupy, výstupy a komunikačními prostředky
obvyklými v průmyslu. Typické schéma systému strojového vidění demonstruje obr. 3.6.
3.2.1 Charakteristika smart kamery
Vznik
První smart kamery se objevily přibližně před
20 lety. Byly odpovědí na požadavek přiblížit
komplikované a drahé systémy strojového
vidění technice běžných senzorů, např.
optických. Na druhou stranu - vznik smart
kamery právě v této době umožnilo spojení
dvou relativně nových prvků: polovodičového
snímače obrazu a mikroprocesoru. Smart
kamera je kompaktním zařízením schopným
zpracovávat úlohy strojového vidění. Obecné
blokové schéma smart kamery zachycuje obr.
3.7. Je z něj patrné, že se smart kamera skládá z
několika základních částí.
Obr. 3.7: Blokové schéma SMART kamery
Část snímání a digitalizace
Do nedávné doby byl nejčastěji používaným obrazovým senzorem v kamerách smart snímač CCD
(Complementary Charge Device). Poskytuje v principu analogový signál, který musí být digitalizován
převodníkem A/D. Celý proces snímání bývá řízen u jednodušších kamer přímo výpočetní jednotkou,
u výkonnějších kamer jsou snímání a digitalizace řízeny zvláštním mikropočítačem nebo
hardwarovou řídicí jednotkou, která je z výpočetní části pouze synchronizována.
V poslední době došlo ke značnému pokroku v technologii obrazových senzorů CMOS
(Complementary Metal Oxide Semiconductor), které jsou již schopny poskytnout obraz kvality
srovnatelné se snímačem CCD. Technologie CMOS navíc umožňuje integrovat na snímací čip i převodník A/D a většinu řídicích obvodů. Obsluha snímače CMOS je podstatně jednodušší, podobá se
vybírání dat z dynamické paměti RAM. Toto zjednodušení je při konstrukci smart kamery vítané,
neboť dochází ke zjednodušování a zlevňování kamery. Dnes již všichni výrobci produkují kamery se
snímačem CMOS.
PLC – hardware – STR
-11-
Výpočetní část
Výpočetní částí smart kamery je vlastně mikropočítač. Protože zpracování obrazu vyžaduje rychlé
zpracování velkého množství dat, bývají použity výkonné mikroprocesory a vzhledem k charakteru
výpočtu často i digitální signálové procesory (DSP). V současné době je u výkonnějších kamer standardem DSP Texas Instruments s hodinovým kmitočtem 400 MHz, avšak objevují se i procesory
s kmitočtem 1 GHz. Většina moderních smart kamer pracuje s kompletním digitálním snímkem
uloženým v paměti RAM. Paměť Flash, až 128MB v níž jsou uloženy program a parametry, bývá
většinou vestavěná.
K urychlení některých standardních operací potřebných při analýze obrazu (filtrace, hledání hran)
se někdy využívají i velmi rychlé jednoúčelové konečné automaty programované v hradlových polích.
Vstupy a výstupy
Právě digitální výstupy přibližují smart kameru běžnému senzoru. Digitální vstupy jsou ve většině
aplikací nutné pro synchronizaci sejmutí snímku se stavem procesu. Prohlížený objekt bývá nutné
sejmout v určité poloze a kamera se spouští například pomocným přibližovacím čidlem nebo
signálem z řídicího systému.
Komunikační rozhraní
Komunikační rozhraní plní u smart kamery několik funkcí. Především se jedná o připojení k rozhraní
MMI (Man-Machine-Interface) - zařízení, které umožňuje kameru nastavovat a případně
programovat. V současné době slouží jako rozhraní MMI nejčastěji standardní počítač typu PC. Pro
pohodlný vývoj aplikace je třeba, aby zařízení MMI zachycovalo obraz snímaný kamerou v reálném
čase. Přenosová rychlost pak musí být poměrně vysoká, a proto se jako základní komunikační
rozhraní používá nejčastěji Ethernet.
Komunikační rozhraní může také přenášet data do nadřazeného řídicího systému nebo pomocí
modulu umožňuje rozšířit počet vstupů a výstupů. V neposlední řadě může také zprostředkovat
komunikaci mezi několika kamerami v případě složitější úlohy, která vyžaduje spolupráci několika
kamer. Většinou slouží i k zajišťování servisních služeb, výměně firmwaru kamery a k podobným
účelům. Někdy bývá smart kamera kromě obvyklého rozhraní Ethernet vybavena ještě pomocným
sériovým rozhraním RS-232/422/485. Důvodem je snadnější připojení k většině existujících PLC. Vyšší
typy
průmyslových
sběrnic a protokolů
(Profibus a Modbus) se
u smart kamer zatím
běžně neuplatňují, v
případě potřeby se
používá
externí
komunikační
převodník.
Obr.3.8: SMART kamera a kamera s vestavěným osvětlovačem
PLC – hardware – STR
-12-
3.2.2 Provedení smart kamery
Smart kamera se nejčastěji podobá standardní průmyslové kameře používané v klasických systémech
strojového vidění (obr.3.8). Liší se množstvím připojovacích míst; má navíc vstupy a výstupy i
komunikační rozhraní. Mnoho výrobců doplňuje smart kameru i vestavěným kruhovým
osvětlovačem s LED. Nezávislost kamery je tím sice dovršena, avšak jednoduchý vestavěný osvětlovač je vhodný pouze pro nejjednodušší aplikace a ve většině případů je nedostačující.
V posledních letech umožnila pokračující miniaturizace kvalitativní zlom v konstrukci smart kamer,
které se začaly montovat do pouzder standardních přibližovacích senzorů, což je projevem dalšího
přibližování strojového vidění k senzorové technice.
3.2.3 Software a programování
Smart kamera není zařízení, do kterého lze instalovat libovolný software. Toto omezení je dáno
úzkou vazbou na technické prostředky - mikroprocesor, omezený rozsah paměti, způsob připojení
snímacího čipu i vstupů a výstupů. Software instalovaný ve smart kameře tedy ve velké míře určuje i
oblast aplikací, pro které je kamera určena.
Nejlépe je to patrné na vysoce specializovaných smart kamerách určených pouze pro jednu třídu
úloh. Typickou ukázkou jsou kamery, které umí pouze porovnat snímaný objekt s naučeným vzorem.
K porovnání nejčastěji dochází na základě podobnosti zjištěných obrysů nebo na základě podobnosti
jasového histogramu v zadané oblasti. Programování takové smart kamery je poměrně jednoduché.
Po instalaci kamery sejmeme „správný" objekt a nastavíme hranice (nejčastěji pomocí jednoho nebo
několika koeficientů), ve kterých lze ostatní objekty ještě považovat za správné.
Software pro univerzální smart kamery využívá princip rozdělení celkové úlohy do podúloh, které
lze řešit standardizovanými softwarovými nástroji. Mezi podúlohy patří např. hledání obrysů, hledání
uzavřených tvarů a zjišťování jejich polohy a velikosti (blob recognition), hledání odlišností (flaw
detection), čtení písma (OCR - Optical Character Recognition) a měření vzdáleností.
Někteří výrobci dodávají uvedené nástroje ve formě knihoven funkcí pro obecný programovací
jazyk (nejčastěji C). Uživatel si sám a s využitím těchto funkcí napíše program pro danou úlohu,
přeloží ji pro specifický procesor používaný smart kamerou, a poté ji zavede do programové paměti
kamery
3.2.4
Aplikace smart kamer
Podíl použití smart kamer v průmyslových aplikacích neustále roste. Důvody jsou zvyšující se
výkonnost a možnost spolupráce v síti. Tak lze i se smart kamerami realizovat aplikace vyhrazené
ještě před nedávnem velkým systémům strojového vidění.
Technické inovace a hromadná výroba však umožňují nasazení smart kamer i tam, kde se ještě do
nedávna používaly standardní přibližovací senzory. Příkladem může být zařízení na plnění lahví.
Smart kamera může během jedné operace zkontrolovat danou výšku hladiny, přítomnost a správné
nasazení uzávěru i nalepenou etiketu. Kontrola stejného rozsahu prováděná standardními snímači by
byla nepoměrně komplikovanější.
PLC – hardware – STR
-13-
4 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.
Obr.4.1 : Současná PLC již umožňují i vzdálené řízení a přenos dat prostřednictvím drátové i
bezdrátové komunikace
PLC – hardware – STR
-14-
4.1 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,
Schneider Group a českého
výrobce Teco.
V konstrukčním provedení
Obr. č 4: Příklad řízení linky pomocí PLC
v SW i HW se jednotlivé
třídy systémů a jejich
představitelé liší, způsoby
použití
a
aplikační
možnosti
jsou
však
srovnatelné.
4.2 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 ta větší PLC vybavené
výkonnými procesory dnes někteří výrobci přijali označení PAC (Programmable Automation
PLC – hardware – STR
-15-
Controller), na druhou stranu ta nejjednodušší PLC bývají někdy uvedena jako tzv. programovatelné
relé.
PLC je složeno z následujících částí:
o
základní řídicí/CPU jednotka (basic/CPU modul) - základní blok PLC, který
obsahuje:
• zdrojovou část - napájení jednotky, příp. dalších modulů
• procesorovou část - tvořená CPU, FPGA (na místě programovatelné
logické obvody) nebo jinými speciálními obvody
• komunikační rozhraní - základní propojení s PC a s dalšími PLC
• několik binárních/logických vstupů a výstupů
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.4.2: Blokové schéma vnitřní struktury obecného programovatelného automatu
o
rozšiřující moduly (expansion modules) - rozšiřují základní jednotku o libovolné další prvky
vyžadované uživatelem:
•
•
•
•
další vstupy - logické a analogové (napěťové/proudové/diferenční)
další výstupy – číslicové (tranzistorové, reléové) a analogové výstupy
různá komunikační rozhraní - RS-232/422/485, Ethernet (TCP/IP), PROFIBUS, MODBUS,
GSM apod.
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,
Již základní PLC jednotky obsahují
několik vstupů a výstupů
PLC – hardware – STR
-16-
umožňující připojení tlačítek či signalizace, zapínání/vypínání zařízení a přivedení několika řídících
signálů.
Pro náročnější aplikace je pak možné základní jednotku dovybavit o požadované funkce a rozhraní
pomocí rozšiřujících modulů. Ty se připojují pomocí výrobcem definované speciální propojovací
sběrnice v podobě konektorů vyvedené buď na boku každého modulu a základní jednotky nebo na
jejich zadních stranách. Některá PLC, zvláště ta větší a výkonnější využívají speciálních nosných soklů
(backbones), které realizují zmíněné propojení a kam se jednotlivé moduly a jednotky zasouvají. Dle
zaměření a složitosti PLC je k dispozici různě široká nabídka typů modulů. Ty nejjednodušší systémy
poskytují jen základní rozšíření počtu vstupů a výstupů, zatímco u výkonnějších a univerzálnějších PLC
již jsou k dispozici i speciality, jako například víceosé regulátory pohybu (otáčení motorů) nebo
rozhraní průmyslových sběrnic typu PROFIBUS.
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
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
Obr. 4.4 : Ukázka
připojení „cizího systému" do sítě PLC, pro
distribuovaného systému
připojení operátorských panelů, snímačů
vytvořeného pomocí PLC
čárového kódu a jiných identifikačních prvků,
vážících
zařízení, jako
ovládač
tiskárny,
rádiového
nebo
telefonního
modemu pro
dálkové
ovládání, jako
Obr. 4.3: Současná PLC již umožňují použít různé terminály a zobrazovací jednotky
PLC – hardware – STR
-17-
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.
4.3 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 se následně po vyhodnocení provede s výstupy.
Často je vše doplněno o jednoduchý monochromatický LCD displej a několik tlačítek umístěných na
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.
PLC – hardware – STR
-18-
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
Obr. 4.5 : Reálné provedení tří verzí s
displejem a tlačítky - zleva Easy500,
Easy700 a Easy800
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).
4.4 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.
4.4.1
Binární vstupy a výstupy
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 Obr. 4.6 : Zapojení vstupního obvodu jednotky PLC
PLC – hardware – STR
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. 4.6.
-19-
Obr. 4.7 : Zapojení výstupního obvodu jednotky PLC
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 určen pro
snímání vstupů z výbušného prostředí, lze jej však využít i pro snímání hladiny s ponornými sondami.
Binární výstupy slouží k
ovládání akčních a
signalizačních
prvků
řízeného
objektu.
Výstupní obvody zajišťují převod vnitřních
logických úrovní na
napěťovou
úroveň
vhodnou pro ovládání
řízeného
objektu.
Obr. 4.8 : Zapojení výstupního reléového obvodu jednotky PLC
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. 4.8.
Binární výstupy jsou v provedení s relé, transistory
PNP i NPN a s triaky. Jsou řešeny pro stejnosměrné i
střídavé napájení, v rozpětí od 24 do 250 V.
Galvanické oddělení významně přispívá k potlačení
průniku rušivých signálů do systému ze strany
vstupních a výstupních svorek.
Sortiment binárních vstupních a výstupních
modulů pokrývá požadavky nejrůznější typů řízených objektů, snímačů a akčních členů, vychází
Obr. 4.9 : Zapojení analogové vstupní
jednotky PLC
PLC – hardware – STR
-20-
vstříc potřebám a zvyklostem projektantů z různých oborů aplikací automatizační techniky (někdo
raději pracuje se stejnosměrnými ovládacími obvody, jiný dává přednost střídavým).
4.4.2 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.
4.4.3 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.
4.4.4 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 – STR
-21-
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.
4.4.5 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
4.4.6 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 – STR
-22-
5 PLC TECOMAT FOXTROT
Obr. 5.1: PLC TECOMAT FOXTROT
5.1 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.
5.2 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.
5.2.1 Výstavba rozsáhlého systému
Rozšiřovací periferní moduly se k centrální jednotce připojují pomocí sériové sběrnice. Díky tomu
mohou být jednotlivé části systému TECOMAT FOXTROT rozmístěny decentralizované tak, že
jednotlivé moduly jsou umístěny přímo u ovládaných technologií a šetří tak silovou kabeláž.
PLC – hardware – STR
-23-
5.2.2 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.).
5.2.3 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".
Obr.5.2: Rozšíření PLC Foxtrot o I/O moduly
PLC – hardware – STR
-24-
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).
Tab. 5.1: Popis modulu CP- 1004
centrální jednotka řady K
4 binární vstupy 24 V využitelné jako vstupy čítačů
4 volitelné vstupy - binární 24 V / analogové 0 - 10 V (10 bitů)
6 reléových výstupů 250 V
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
6
TXN 110 04
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, řídicího, 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,
PLC – hardware – STR
-25-
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,
průzkumné,
pro
použití
ve
zdravotnictví, pro zábavu.
inspekční,
vojenství,
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.
výpočtové možnosti řídicího 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 robotu lze rozdělit do dvou základních skupin podle vztahu k robotu na interní – měřící
parametry 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) a externí – měřící parametry
okolí robotu, pro účely navigace jsou to zejména informace o poloze a orientaci robotu v globálním
soustředném systému, a rozmístění objektů v jeho okolí. Použité senzory mohou plnit mnoho funkcí,
ovšem z pohledu vlastního robotu jsou významné pouze senzory sloužící k navigaci a diagnostice
robotu.
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.
PLC – hardware – STR
-26-
Aby byl řídicí 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.
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
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.6.4. 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)
PLC – hardware – STR
-27-
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 signálů 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.
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
poskytuje informaci o
počtu pulzů enkodéru
obou os s ohledem na
znaménko. Myš, reObr. 6.3: Připojení inkrementálního senzoru k mikropočítači
spektive její elektronika,
komunikuje s PC pouze jako mluvčí, tj. do PC pouze posílá data a žádná data nepřijímá. Spotřeba
elektroniky myši bývá typicky do 10mA.
Informaci o stavu tlačítek myši a počtu relativních inkrementů os X a Y (vzhledem k poslednímu
vyslanému paketu) myš vysílá pouze v případě, že došlo k nějaké změně (tlačítko – sepnutí/rozepnutí
a/nebo změna inkrementu).
6.1.4 Absolutní senzor
Tento typ senzoru využívá komplikovanější typ kódování než inkrementální a vyžaduje větší počet
snímacích prvků.
PLC – hardware – STR
Obr.6.4: Provedení
absolutního senzoru natočení
-28-
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 tvoří
absolutní údaj o poloze natočení.
Princip kódování 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
Obr. 6.5: Kódové kotouče absolutního senzoru natočení
kromě klasického binárního kódu
a) Grayův kód
b) Binární kód
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 principu 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, jejímž úkolem je zjištění polohy a orientace robotu vůči použitému globálnímu souřadnému
systému a na lokální navigaci. Ve většině případů není hodnota naměřená senzorem přímo polohou a
je nutné ji teprve vypočítat.
6.2.1 Taktilní 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 6.6. Jedna z možností činnosti je následující: pokud není
spínač aktivován, je na příslušném výstupu vysoká logická úroveň, při jeho aktivaci je na výstupu
PLC – hardware – STR
-29-
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.
6.6. 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. 6.6: Připojení více spínačů pomocí multiplexeru a dekodéru
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. 6.6.
V případě, že řídicí 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.6.6,
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 také 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, Obr. 6.7: Princip detekce překážky IR
ale jsou citlivé v oblasti vlnových délek pod viditelným senzorem
světlem (nejčastěji kolem 880 nm).
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.
PLC – hardware – STR
-30-
V praxi je zpravidla IR
fototranzistor
nahrazen
specializovaným
IR
přijímačem
s integrovaným
Obr. 6.8: Generované infračervené světlo je modulované kmitočtem 36 kHz a
demodulátorem. Výhodou
dále nízkým kmitočtem 0,6 kHz
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. Na
obr. 6.8 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
Obr. 6.9: Princip buzení IR LED diod infračerveného detektoru překážek
konfiguraci
řešeno
detekujícího směr k překážce
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,
PLC – hardware – STR
-31-
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.
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 metoda.
■ Druhý způsob 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.
PLC – hardware – STR
-32-
6.2.3 IR senzor 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
0-255 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
první fázi vyšle dioda paprsek. Ten se odrazí od překážky a přes
Obr. 6.10: Princip měření pomocí
čočku, která je součástí senzoru, je přijat IR citlivou diodou. Poloha,
GPD02
ve které paprsek dopadne na fotodetektor, je závislá na vzdálenosti od překážky (obr. 6.10).
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 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. 6.11. 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
Obr. 6.11: Problém odrazu akustického
signálu při práci více sonarů
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. 6.12.
Umístění umožní plnit úlohy jako sledování zdi, jízdu koridorem a vyhýbání se překážkám. Senzory
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
PLC – hardware – STR
-33-
kolizi s hranou. Proto jsou na robotu další dva senzory umístěné v úrovni hlavních kol. Ty slouží
k povolení změny trajektorie.
Obr.6.12: Využití ultrazvukových senzorů pro lokální navigaci
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.
Obr. 6.13: Sonar SRF 04
Obr. 6.14: Sled signálů a postup
měření sonaru SFR04
Obr. 6.15: Vyzařovací diagram
sonaru SRF04
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
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
Obr. 6.16: Vícenásobné echo
PLC – hardware – STR
-34-
uveden do stavu logické nuly (3). Doba impulsu v signálu echo pulse output delší než 18 ms tedy
znamená, 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 robotu 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.
7
Obr. 6.17: Ukázka různých stavebnic robotků. Více na http://www.hobbyrobot.cz/kits.htm
PLC – hardware – STR
-35-
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 včetně jeho grafického zobrazení se nazývá
vizualizace řízeného procesu. Do počítače s nainstalovaným speciálním programovým vybavením
připojeného komunikační linkou k řídícímu systému (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, ale i 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.)
• 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 – STR
-36-
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
Obr. 7.1: Ukázka vizualizace
PLC – hardware – STR
-37-
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.
7.5 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 s 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, stanuli jsme ve výchozím bodě pro úspěšné
zahájení projekčních příprav aplikace vizualizačního systému pro danou technologii.
PLC – hardware – STR
-38-
8 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 – STR
-39-
9 Obsah
1
2
3
4
5
6
7
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
Měření neelektrických veličin ......................................................................................... 5
3.1 Snímače teploty........................................................................................................ 5
3.1.1 Principy snímání teploty.................................................................................... 5
3.1.2 Odporové snímače teploty ................................................................................. 6
3.1.3 Termoelektrické teploměry................................................................................ 7
3.1.4 Netradiční snímače teploty – optovláknová čidla ............................................... 8
3.1.5 Inteligentní snímače teploty............................................................................... 9
3.2 Smart kamery pro strojové vidění ........................................................................... 10
3.2.1 Charakteristika smart kamery .......................................................................... 10
3.2.2 Provedení smart kamery .................................................................................. 12
3.2.3 Software a programování ................................................................................ 12
3.2.4 Aplikace smart kamer...................................................................................... 12
Co se skrývá pod označením PLC ? .............................................................................. 13
4.1 Použití PLC ............................................................................................................ 14
4.2 Struktura typického PLC ........................................................................................ 14
4.3 Programovatelná řídící relé (PLC) .......................................................................... 17
4.4 Modulární PLC (podle dokumentace fy TECO)...................................................... 18
4.4.1 Binární vstupy a výstupy ................................................................................. 18
4.4.2 Analogové moduly podle dokumentace fy TECO) .......................................... 20
4.4.3 Obvod reálného času a zálohovací baterie ....................................................... 20
4.4.4 Příjem dat........................................................................................................ 20
4.4.5 Speciální moduly ............................................................................................ 21
4.4.6 Chybové relé ................................................................................................... 21
PLC TECOMAT FOXTROT ........................................................................................ 22
5.1 Vlastnosti systémů TECOMAT FOXTROT ........................................................... 22
5.2 Komunikace ........................................................................................................... 22
5.2.1 Výstavba rozsáhlého systému .......................................................................... 22
5.2.2 Spojení s PC.................................................................................................... 23
5.2.3 Distribuované systémy řízení .......................................................................... 23
Mobilní roboty.............................................................................................................. 24
6.1 Interní senzory ....................................................................................................... 26
6.1.1 Senzory natočení ............................................................................................. 26
6.1.2 Inkrementální senzor ....................................................................................... 26
6.1.3 Počítačová myš ............................................................................................... 27
6.1.4 Absolutní senzor ............................................................................................. 27
6.1.5 Otáčkoměry .................................................................................................... 28
6.1.6 čkoměry .......................................................................................................... 28
6.2 Externí senzory. ..................................................................................................... 28
6.2.1 Taktilní senzor. ............................................................................................... 28
6.2.2 Infračervený detektor překážek. ...................................................................... 29
6.2.3 IR senzor GP2D02 .......................................................................................... 32
6.2.4 Sonary............................................................................................................. 32
6.2.5 Kompas CMPS01............................................................................................ 34
6.2.6 Modul a senzor pro sledování čáry .................................................................. 34
7 Vizualizace technologických procesů........................................................................ 35
PLC – hardware – STR
-40-
7.1 Základní pojmy ...................................................................................................... 35
7.2 Vizualizační systém ............................................................................................... 35
7.3 Jednoduché vizualizační systémy ........................................................................... 36
7.4 Control Panel ......................................................................................................... 37
7.5 Základní úvahy při nasazení vizualizačního systému .............................................. 37
8
Použitá literatura :......................................................................................................... 38
Download

PLC – hardware – STR - Střední průmyslová škola Zlín