Podstawy Automatyki. Człowiek- najlepsza inwestycja. Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Transkrypt

1 Podstawy Automatyki Człowiek- najlepsza inwestycja Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

2 Program 2 Podstawy Automatyki Instytut Automatyki i Robotyki Autor programu: dr inż. Wieńczysław Jacek Kościelny

3 Program część 2 3 L. p. Temat Treść Liczba godzin 1 Wprowadzenie do Zakres problematyki automatyki procesów dyskretnych. Przykłady zautomatyzowanych 1 sterowania sterowania procesami dyskretnymi procesów dyskretnych. Pojęcie układu przełączającego: układy kombinacyjne i sekwencyjne przykłady praktyczne, koncepcja układu sekwencyjnego procesowo-zależnego i czasowozależnego, problemy związane z opisem działania. Środki techniczne automatyzacji procesów dyskretnych: urządzenia sterujące, wykonawcze (aktuatory), sensory. 2 Narzędzia formalne Kody binarne liczb całkowitych nieujemnych naturalny kod dwójkowy, kody ze stałym 3 odstępem, kody 1 z n, funkcje logiczne, dwuelementowa algebra Boole a, systemy funkcjonalnie pełne, synteza i minimalizacja funkcji logicznych, alternatywne i koniunkcyjne postacie funkcji logicznych, tablice Karnaugha, metoda Quine a Mc Cluskey a, funkcje nie w pełni określone, symboliczny (liczbowy) zapis funkcji logicznych. 3 Układy kombinacyjne Sieci bramkowe i sieci stykowo-przekaźnikowe, symbolika, zasady tworzenia układów, sieci bramkowe i stykowo-przekaźnikowe jako języki programowania sterowników PLC, praktyczne przykłady układów kombinacyjnych, zagadnienia dynamiki układów 2 4 Podstawy układów sekwencyjnych 5 Przerzutniki asynchroniczne 6 Układy sekwencyjne procesowo-zależne asynchroniczne o programach rozgałęzionych kombinacyjnych hazard statyczny i dynamiczny. Przykłady,opis działania, pojęcie stanu wewnętrznego układu sekwencyjnego. Klasyfikacja układów sekwencyjnych : układy procesowo- i czasowo-zależne, układy Moore a i Mealy ego, układy asynchroniczne i synchroniczne, układy o programach liniowych i rozgałęzionych, układy cykliczne i acykliczne, układy deterministyczne i probabilistyczne, zastosowania. Przerzutnik asynchroniczny jako elementarny układ sekwencyjny: rodzaje przerzutników asynchronicznych, opis działania, tablica przejść, graf, macierz przejść, realizacje techniczne, przykłady zastosowań praktycznych. Formalizacja założeń dotyczących działania układu, wykres czasowy, graf, sieć działań, tablica przejść i wyjść. Etapy projektowania układu Moore a: wyodrębnienie stanów wewnętrznych, minimalizacja liczby stanów wewnętrznych, problemy kodowania stanów wewnętrznych, wyścigi, wyznaczanie funkcji wyjść i funkcji przejść, wykorzystanie przerzutników do realizacji funkcji przejść, przykłady praktyczne. Analiza możliwości wykorzystania koncepcji układu Mealy ego, metodyka projektowania układów

4 Program część 2 4 L. p. Temat Treść Liczba godzin 7 Układy sekwencyjne asynchroniczne procesowo-zależne o programach liniowych Praktyczne znaczenie układów o programach liniowych, metodyka projektowania z wykorzystaniem kodów minimalnych, struktura uniwersalna układu pracującego w kodzie 1 z n, przykłady projektowania praktycznych układów pneumatycznych i elektropneumatycznych. 2 8 Przerzutniki synchroniczne jako podstawowe zespoły układów synchronicznych 9 Metodyka projektowani układów synchronicznych 10 Typowe układy o średniej skali integracji bloki funkcyjne przydatne do tworzenia układów sterowania 11 Koncepcje układów sterowania zbudowanych z bloków funkcjonalnych 12 Wstęp do układów o strukturze komputerowej sterowniki PLC Pojęcia przerzutników D, T, SR, JK, opis działania przerzutników, tablice przejść, macierze, zależności pomiędzy przerzutnikami, metody synchronizacji przerzutników, przerzutniki złożone, automaty sterujące przerzutników. Formalizacja założeń dotyczących działania układu synchronicznego, problemy kodowania i minimalizacji funkcji wyjść. problemy z realizacją układów Mealy ego. Bloki komutacyjne (multipleksery, demultipleksery, kodery, dekodery, translatory kodów), bloki przechowujące informacje (rejestry szeregowe i równoległe, pamięci RAM, ROM), liczniki. Układy czasowo-zależne, układy procesowo-zależne asynchroniczne i synchroniczne o programach liniowych i rozgałęzionych, układy mikroprogramowalne z pamięciami RAM, ROM, praktyczne przykłady projektowania układów mikroprogramowalnych. Struktura sterownika, formalizacja zadań układu sterującego, sieci działań, tworzenie programów sterujących programy sekwencyjne, szeregowo-cykliczne. Przykłady praktyczne

5 Program ćwiczeń audytoryjnych cz.2 5 L. p. Tytuł ćwiczenia Zakres ćwiczenia 1 Synteza i minimalizacja funkcji logicznych 2 Projektowanie układów kombinacyjnych 3 Projektowanie układów sekwencyjnych Formułowanie opisu matematycznego układu kombinacyjnego, postacie kanoniczne funkcji logicznych, metody minimalizacji funkcji logicznych: metoda algebraiczna, metoda Quine a Mc Cluskey a, tablice Karnaugha, minimalizacja funkcji nie w pełni określonych, liczbowy zapis funkcji logicznych. Projektowanie układów kombinacyjnych jako układów stykowo-przekaźnikowych i układów bramkowych, układy elementów NOR i NAND. Formułowanie założeń dotyczących działania układów sekwencyjnych, projektowanie intuicyjne, projektowanie formalne. Liczba godzin 2 1 2

6 Literatura do części 2 wykładu 6 1. Zieliński C.: Podstawy projektowania układów cyfrowych. PWN, Warszawa, Traczyk W.: Układy cyfrowe automatyki. WNT, Warszawa Misiurewicz P.: Podstawy techniki cyfrowej. WNT, Warszawa Majewski W.: Układy logiczne. WNT, Warszawa Kościelny W.: Podstawy automatyki, cz. 2. WPW, Warszawa Barczyk J.: Automatyzacja procesów dyskretnych. Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa Kowalowski H. i inni: Automatyzacja dyskretnych procesów przemysłowych. WNT, Warszawa Mikulczyński T.: Automatyzacja procesów produkcyjnych. WNT, Warszawa 2006

7 Literatura do części 2 wykładu 7 9. Sterowanie i automatyzacja procesów technologicznych i układów mechatronicznych. Układy pneumatyczne i elektropneumatyczne ze sterowaniem logicznym. Praca pod red. Jerzego Świdra. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice Świder J., Wszołek G.: Metodyczny zbiór zadań laboratoryjnych i projektowych ze sterowania procesami technologicznymi. Układy pneumatyczne i elektropneumatyczne ze sterowaniem logicznym. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice Olszewski M. i in.: Mechatronika. Wyd. REA, Warszawa Olszewski M. i in.: Urządzenia i systemy mechatroniki. Część 1. Wyd. REA, Warszawa Coursera From NAND to Tetris

8 Politechnika Warszawska Instytut Automatyki i Robotyki Dr inż. Wieńczysław Kościelny PODSTAWY AUTOMATYKI część 2 Wprowadzenie do sterowania procesami dyskretnymi

9 9 Procesami ciągłymi nazywamy procesy, do opisu których niezbędne są zmienne przyjmujące nieskończenie wiele wartości (np. procesy regulacji temperatury, ciśnienia, napięcia, składu). Przedmiotem zainteresowań automatyki procesów ciągłych są głównie układy automatycznej regulacji. Procesami dyskretnymi nazywamy procesy, do opisu których wykorzystuje się zmienne o skończonej liczbie wartości; przeważnie są to zmienne dwuwartościowe. Procesy, do opisu których wykorzystuje się zmienne dwuwartościowe nazywają się procesami binarnymi. Informacje o stanie takich procesów przekazywane są za pomocą sygnałów dwuwartościowych (binarnych).

10 10 W automatyce procesów ciągłych rozpatruje się układy sterowania (regulacji) łącznie z obiektem sterowania realizowanym procesem. Zakłócenia Sterowania Wielkości regulowane Obiekt u 1 u 2 u 3 Reg. 1 Reg. 2 Reg. 3 y 1 y 2 y 3

11 11 W automatyce procesów dyskretnych zajmować się będziemy tylko projektowaniem urządzeń sterujących, wytwarzających binarne sygnały wyjściowe,... Obiekt u 1 u 2 u 3 Reg. 1 Urządzenie sterujące Reg. 2 Reg. 3 y 1 y 2 y 3

12 12 W automatyce procesów dyskretnych zajmować się będziemy tylko projektowaniem urządzeń sterujących, wytwarzających binarne sygnały wyjściowe pod wpływem binarnych sygnałów wejściowych lub bez sygnałów wejściowych; urządzenia takie nazywane są ogólnie układami przełączającymi. Sygnały wyjściowe takich układów będziemy oznaczać y 1, y 2, y 3 itd., wejściowe - x 1, x 2, x 3 itd. Obiekt y 1 u 1 yu 2 yu 3 Reg. 1 Urządzenie sterujące Reg. 2 Reg. 3 x 1 y 1 x 2 y 2 x 3 y 3

13 13 Układy przełączające o binarnych sygnałach wyjściowych i wejściowych - przetwarzające binarne sygnały wejściowe na binarne sygnału wyjściowe, nazywane są układami logicznymi. W dalszym ciągu schematy układów przełączających będą przedstawiane z głównym kierunkiem przetwarzania b) informacji od strony lewej do prawej. u y x 1 x 2 u 1 u 2 x n u m... układ przełączający... y 1 y 2 y 1 y 2 y m y m

14 14 b) Binarne y sygnały wejściowe x 1 x 2 u 1 u 2 x n u m... układ przełączający... y 1 y 2 y 1 y 2 y m y m Binarne sygnały wyjściowe Sygnały wejściowe układu przełączającego mogą być: - sygnałami informującymi o stanie procesu, - sygnałami sterującymi, których zmiana wartości realizowana jest przez operatora lub przez system sterowania nadrzędnego, - sygnałami przekazującymi inne informacje, podlegające przetwarzaniu. Sygnały wyjściowe układu przełączającego mogą być wykorzystane do : - sterowania elementami wykonawczymi (napęd, grzejnik, chwytak), - sterowania elementami sygnalizacyjnymi (lampka, buczek) lub blokującymi, - przekazywania innych informacji.

15 Rozważmy przykłady układów przełączających. 15 Przykład 1 - sterowanie wentylacją Binarny sygnał wyjściowy y układu sterującego wentylacją pomieszczenia (y = 0 - silnik wentylatora nie pracuje; y = 1 - silnik pracuje), jest wytwarzany na podstawie binarnych sygnałów wejściowych x 1, x 2 i x 3 z przekaźników temperatury rozmieszczonych w tym pomieszczeniu. x 1 x 2 x 3 Układ sterowania wentylacją y

16 16 Rozważmy szereg wariantów zależności sygnału wyjściowego układu od sygnałów wejściowych tablica. Nr stanu argumentów x 1 x x 2 3 y 1 y y 2 3 y albo 1 0 albo albo 1 0 albo albo albo 1 0 albo albo albo

17 17 Wariant pierwszy, oznaczony w tablicy jako y 1, wyraża myśl, że wentylator ma pracować tylko wtedy, kiedy wszystkie przekaźniki wykazują przekroczenie określonej wartości temperatury. Nr stanu argumentów x 1 x x 2 3 y 1 y y 2 3 y Tabelaryczna 0 postać 0 opisu działania urządzenia 0 albo 1 jest 0 albo syntetycznym przedstawieniem 0 albo 1 0 albo opisu 1 słownego albo albo 1 0 albo albo albo W tym przypadku tablica jednoznacznie definiuje zależność y 1 = f 1 (x 1,x 2,x 3 ). Jest to tzw. tablica wartości (tablica prawdy) funkcji y 1 = f 1 (x 1,x 2,x 3 ).

18 18 Wariant drugi, oznaczony w tablicy jako y 2, wyraża myśl, że wentylator ma pracować już kiedy dowolne dwa przekaźniki wykażą przekroczenie określonej wartości temperatury. Nr stanu argumentów x 1 x x 2 3 y 1 y y 2 3 y albo 1 0 albo albo 1 0 albo albo albo 1 0 albo albo albo

19 19 Nr stanu argumentów x 1 x x 2 3 y 1 y y 2 3 y albo 1 0 albo albo 1 0 albo albo albo 1 0 albo albo albo W układach realizujących zależności y 1 = f 1 (x 1,x 2,x 3 ) i y 2 = f 2 (x 1,x 2,x 3 ) stan sygnału wyjściowego zależy tylko od aktualnego stanu sygnałów wejściowych układy takie nazywają się układami kombinacyjnymi. Stan sygnałów wyjściowych układów kombinacyjnych nie zależy od sekwencji pojawiania się stanów sygnałów wejściowych.

20 20 b) Binarne y sygnały wejściowe x 1 x 2 u 1 u 2 x n u m... układ kombinacyjny... y 1 y 2 y 1 y 2 y m y m Binarne sygnały wyjściowe Działanie układu kombinacyjnego opisują zależności (funkcje): y f ( x1, x2,... x 1 1 n y2 f2( x1, x2,... xn)... y m f m ( x, x2 ),... x 1 n Funkcje, których zmienne niezależne (argumenty) i zmienne zależne mogą przyjmować tylko dwie wartości nazywają się funkcjami logicznymi dwuwartościowymi. )

21 21 u ntów Nr stanu argumentów x x x x 2 3 y 1 y y 1 x x 2 3 y 1 y y y 4 3 y albo 10 0 albo 0 albo albo albo 10 0 albo 0 albo albo albo 1 01 albo albo 10 0 albo 0 albo albo albo 1 01 albo albo 1 01 albo Opis wariantów oznaczonych jako y 3 i y 4 jest niejednoznaczny. Układ z sygnałem wyjściowym y 3 włącza wentylację dopiero kiedy wszystkie przekaźniki wykażą przekroczenie nastawionej wartości temperatury; wyłącza gdy wszystkie przekaźniki wytwarzają sygnał zerowy. W stanach argumentów 1 6, wartość sygnału wyjściowego może być 0, jeżeli stany te poprzedzało zdarzenie: x 1 = x 2 = x 3 = 0 lub może być 1 jeżeli stany te poprzedzało zdarzenie: x 1 = x 2 = x 3 = 1.

22 Układ z sygnałem wyjściowym y 3 (także układ z sygnałem wyjściowym y 4 ) musi mieć możliwość pamiętania pewnych zdarzeń; układy takie nazywają się układami z pamięcią albo układami sekwencyjnymi. 22 Przebieg sygnału wyjściowego y 3 zależy od kolejności (sekwencji) zmian sygnałów wejściowych, informujących o stanie realizowanego procesu (podobnie w przypadku układu z sygnałem wyjściowym y 4 ); układy takie nazywają się układami sekwencyjnymi procesowo zależnymi. Charakterystyczną cechą rozważanego procesu jest to, że przebieg sekwencji zmian sygnałów wejściowych nie jest zdeterminowany - zależy od czynników zewnętrznych. Projektując bardziej złożone układy sekwencyjne o niezdeterminowanych sekwencjach zmian sygnałów wejściowych należy przewidzieć wszystkie możliwe sekwencje i określić reakcję układu na wystąpienie każdej z możliwych sekwencji. Układy takie tworzą klasę układów sekwencyjnych o programach rozgałęzionych.

23 Innym rozwiązaniem układu sterowania wentylacją może być wykorzystanie programatora zegarowego, który włączałby silnik wentylatora w określonych porach dnia wg założonego programu. Taki układ działałby bez sygnałów wejściowych; byłby to układ sekwencyjny czasowo zależny. 23 Przykład programatora czasowego 1 wałek z krzywkami; 2 silnik; 3 przekładnia; 4 przekaźniki; 5 pokrętło sterowania ręcznego Układy sekwencyjne czasowo zależne są układami bez sygnałów wejściowych; działają bez kontroli przebiegu realizowanego procesu.

24 Przykład 2 W przyrządzie z napędem pneumatycznym odbywa się zaginanie blachy. Siłownik A mocuje blachę, która wstępnie jest zginana przez siłownik B i ostatecznie doginana przez siłownik C. 24 diagram krokowy Operator po ułożeniu blachy, naciśnięciem odpowiedniego przycisku Start wywołuje cykl ruchów siłowników wg tzw. diagramu krokowego.

25 Siłowniki wyposażone są w czujniki binarne wykrywające skrajne położenia tłoczysk. Sygnały tych czujników informują o zakończeniu odpowiedniego ruchu danego siłownika i inicjują rozpoczęcie kolejnego ruchu. 25 Czujnik wykrywający położenie tłoka siłownik A siłownik B siłownik C a 1 a 2 b 1 b 2 c 1 c 2

26 Schemat układów napędowych przyrządu do zaginania blachy 26 A a 1 ı A a 2 ı a b B b 1 ı b 2 ı B c 1 ı c 2 ı cdea b C A ya y b yc y 1 y 2 Start a 1 a 2 b 1 b 2 c 1 c 2 Układ sterowania binarnego (układ przełączający) y 1 y a y b y c

27 Sygnałami wejściowymi układu sterującego pracą urządzenia są sygnał z przycisku Start i sygnały czujników wykrywających położenia tłoczysk; sygnałami wyjściowymi sygnały wywołujące ruchy siłowników. 27 Start a 1 a 2 b 1 b 2 c 1 c 2 Układ sterowania binarnego (układ przełączający) y a y b y c Charakterystyczną cechą procesu jest to, że przebieg kolejności zmian sygnałów wejściowych jest określony wynika z założeń dotyczących przebiegu procesu. Układy sekwencyjne sterujące takimi procesami są układami o programach liniowych.

28 Obszary występowania procesów dyskretnych: procesy technologiczne związane z produkcją elementów, 28 montaż maszyn, montaż elementów elektronicznych, pakowanie, dozowanie, układy orientowania i podawania, układy manipulacyjne, robotyka, urządzenia transportu międzyoperacyjnego, sygnalizacja, zabezpieczenia, blokady, elastyczne systemy produkcyjne, automatyka budynków, serwis.

29 29 Automatyka procesów dyskretnych jako dziedzina techniki zajmuje się problematyką: technicznej realizacji dyskretnych procesów technologicznych i budowy oprzyrządowania technologicznego poszczególnych procesów, doboru napędów, elementów wykonawczych i sensorycznych, projektowania układów sterowania procesami elementarnymi (układy logiczne, układy o średniej skali integracji bloki funkcjonalne, sterowanie komputerowe sterowniki programowalne), sterowania złożonymi systemami produkcyjnymi (sterowanie współbieżne, sieci komunikacyjne), planowania i zarządzania (np. produkcją).

30 Historia Pneumatyka w IXX wieku. Sprężone powietrze staje się powszechnie dostępnym nośnikiem energii, wyprzedzając o kilka dziesięcioleci wykorzystanie energii elektrycznej. 30 Zegar pneumatyczny Centrala z tzw. zegarem matką, która sterowała pneumatycznymi zegarami (ponad 6000), rozmieszczonymi w różnych obiektach w Paryżu

31 Historia 31 Stacja nadawcza poczty pneumatycznej. Pierwsza poczta pneumatyczna została uruchomiona w Londynie w 1858 r.

32 Stan aktualny 32 Zautomatyzowane stanowisko produkcyjne

33 Stan aktualny 33 Przykład linii produkcyjnej zautomatyzowany środkami pneumotroniki

34 Stan aktualny 34 Elementy pneumatyczne firmy PREMA

35 Stan aktualny 35 Programowalne wyspy zaworowe firmy FESTO

36 Stan aktualny 36 Elementy wytwarzające podciśnienie i końcówki chwytaków podciśnieniowych firmy FESTO