Człowiek- najlepsza inwestycja

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Podstawy Automatyki

Program 2

Podstawy Automatyki

Instytut Automatyki i Robotyki

Autor programu:

dr inż. Wieńczysław Jacek Kościelny

Program – część 2 3

L. p. Temat Treść Liczba

godzin

1 Wprowadzenie do

sterowania sterowania

procesami dyskretnymi

Zakres problematyki automatyki procesów dyskretnych. Przykłady zautomatyzowanych

procesów dyskretnych. Pojęcie układu przełączającego: układy kombinacyjne i sekwencyjne –

przykłady praktyczne, koncepcja układu sekwencyjnego procesowo-zależnego i czasowo-

zależnego, problemy związane z opisem działania. Środki techniczne automatyzacji procesów

dyskretnych: urządzenia sterujące, wykonawcze (aktuatory), sensory.

1

2 Narzędzia formalne Kody binarne liczb całkowitych nieujemnych – naturalny kod dwójkowy, kody ze stałym

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

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

kombinacyjnych – hazard statyczny i dynamiczny.

2

4 Podstawy układów

sekwencyjnych

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.

1

5 Przerzutniki

asynchroniczne

Przerzutnik asynchroniczny jako elementarny układ sekwencyjny: rodzaje przerzutników

asynchronicznych, opis działania, tablica przejść, graf, macierz przejść, realizacje techniczne,

przykłady zastosowań praktycznych.

1

6 Układy sekwencyjne

procesowo-zależne

asynchroniczne o

programach

rozgałęzionych

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.

3

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

Pojęcia przerzutników D, T, SR, JK, opis działania przerzutników, tablice przejść, macierze,

zależności pomiędzy przerzutnikami, metody synchronizacji przerzutników, przerzutniki

złożone, automaty sterujące przerzutników.

1

9 Metodyka projektowani

układów synchronicznych

Formalizacja założeń dotyczących działania układu synchronicznego, problemy kodowania

i minimalizacji funkcji wyjść. problemy z realizacją układów Mealy’ego.

1

10 Typowe układy o średniej

skali integracji – bloki

funkcyjne przydatne do

tworzenia układów

sterowania

Bloki komutacyjne (multipleksery, demultipleksery, kodery, dekodery, translatory kodów),

bloki przechowujące informacje (rejestry szeregowe i równoległe, pamięci RAM, ROM),

liczniki.

3

11 Koncepcje układów

sterowania zbudowanych

z bloków funkcjonalnych

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.

2

12 Wstęp do układów o

strukturze komputerowej

– sterowniki PLC

Struktura sterownika, formalizacja zadań układu sterującego, sieci działań, tworzenie

programów sterujących – programy sekwencyjne, szeregowo-cykliczne. Przykłady praktyczne

1

Program ćwiczeń audytoryjnych – cz.2 5

L. p. Tytuł ćwiczenia Zakres ćwiczenia Liczba

godzin

1 Synteza i minimalizacja

funkcji logicznych

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.

2

2 Projektowanie układów

kombinacyjnych

Projektowanie układów kombinacyjnych jako

układów stykowo-przekaźnikowych i układów

bramkowych, układy elementów NOR i NAND.

1

3 Projektowanie układów

sekwencyjnych

Formułowanie założeń dotyczących działania

układów sekwencyjnych, projektowanie intuicyjne,

projektowanie formalne.

2

Literatura do części 2 wykładu 6

1. Zieliński C.: Podstawy projektowania układów cyfrowych. PWN,

Warszawa, 2003

2. Traczyk W.: Układy cyfrowe automatyki. WNT, Warszawa 1974

3. Misiurewicz P.: Podstawy techniki cyfrowej. WNT, Warszawa 1982

4. Majewski W.: Układy logiczne. WNT, Warszawa 1999

5. Kościelny W.: Podstawy automatyki, cz. 2. WPW, Warszawa 1984

6. Barczyk J.: Automatyzacja procesów dyskretnych. Oficyna

Wydawnicza PW, Warszawa 2003

7. Kowalowski H. i inni: Automatyzacja dyskretnych procesów

przemysłowych. WNT, Warszawa 1984

8. Mikulczyński T.: Automatyzacja procesów produkcyjnych. WNT,

Warszawa 2006

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 2002

10. 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 2003

11. Olszewski M. i in.: Mechatronika. Wyd. REA, Warszawa 2002

12. Olszewski M. i in.: Urządzenia i systemy mechatroniki. Część 1.

Wyd. REA, Warszawa 2009

13. Coursera From NAND to Tetris

Politechnika Warszawska Instytut Automatyki i Robotyki

Dr inż. Wieńczysław Kościelny

PODSTAWY AUTOMATYKI

część 2

Wprowadzenie do sterowania procesami dyskretnymi

Wprowadzenie 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).

Wprowadzenie 10

Obiekt

Reg. 1

Reg. 2

Reg. 3

u1

u2

u3

y1

y2

y3

W automatyce procesów ciągłych rozpatruje się układy sterowania (regulacji)

łącznie z obiektem sterowania – realizowanym procesem.

Sterowania

Zakłócenia

Wielkości

regulowane

Wprowadzenie 11

Obiekt

Reg. 1

Reg. 2

Reg. 3

u1

u2

u3

y1

y2

y3

Urządzenie

sterujące

W automatyce procesów dyskretnych zajmować się będziemy tylko

projektowaniem urządzeń sterujących, wytwarzających binarne sygnały

wyjściowe, ...

Wprowadzenie 12

Obiekt

Reg. 1

Reg. 2

Reg. 3

u1

u2

u3

y1

y2

y3

Urządzenie

sterujące

3x3y

2x

1x

2y

1y

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 y1,

y2, y3 itd., wejściowe - x1, x2, x3 itd.

Wprowadzenie 13

Układy przełączające o binarnych sygnałach wyjściowych i wejściowych

- przetwarzające binarne sygnały wejściowe na binarne sygnału wyjściowe,

nazywane są układami logicznymi.

a) b)...

...

u1

u2

um

y1

y2

ym

u y1x

2x

nx

1y

2y

my

układ

przełączający

W dalszym ciągu schematy układów przełączających będą przedstawiane

z głównym kierunkiem przetwarzania informacji od strony lewej do prawej.

Wprowadzenie 14

a) b)

...

...

u1

u2

um

y1

y2

ym

u y1x

2x

nx

1y

2y

my

układ

przełączający

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.

Binarne

sygnały

wejściowe

Binarne

sygnały

wyjściowe

Wprowadzenie 15

Rozważmy przykłady układów przełączających.

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 x1, x2 i x3 z przekaźników

temperatury rozmieszczonych w tym pomieszczeniu.

Układ sterowania

wentylacją

1x

2x

3x

y

Wprowadzenie 16

Nr stanu

argumentów

1x

2x

3x

1y

2y

3y

4y

0 0 0 0 0 0 0 0

1 0 0 1 0 0 0 albo 1 0 albo 1

2 0 1 0 0 0 0 albo 1 0 albo 1

3 0 1 1 0 1 0 albo 1 1

4 1 0 0 0 0 0 albo 1 0 albo 1

5 1 0 1 0 1 0 albo 1 1

6 1 1 0 0 1 0 albo 1 1

7 1 1 1 1 1 1 1

Rozważmy szereg wariantów zależności sygnału wyjściowego układu od

sygnałów wejściowych – tablica.

Wprowadzenie 17

Nr stanu

argumentów

1x

2x

3x

1y

2y

3y

4y

0 0 0 0 0 0 0 0

1 0 0 1 0 0 0 albo 1 0 albo 1

2 0 1 0 0 0 0 albo 1 0 albo 1

3 0 1 1 0 1 0 albo 1 1

4 1 0 0 0 0 0 albo 1 0 albo 1

5 1 0 1 0 1 0 albo 1 1

6 1 1 0 0 1 0 albo 1 1

7 1 1 1 1 1 1 1

Wariant pierwszy, oznaczony w tablicy jako y1, wyraża myśl, że wentylator

ma pracować tylko wtedy, kiedy wszystkie przekaźniki wykazują

przekroczenie określonej wartości temperatury.

Tabelaryczna postać opisu działania

urządzenia jest syntetycznym

przedstawieniem opisu słownego.

W tym przypadku tablica jednoznacznie definiuje zależność y1 = f1(x1,x2,x3).

Jest to tzw. tablica wartości (tablica prawdy) funkcji y1 = f1(x1,x2,x3).

Wprowadzenie 18

Nr stanu

argumentów

1x

2x

3x

1y

2y

3y

4y

0 0 0 0 0 0 0 0

1 0 0 1 0 0 0 albo 1 0 albo 1

2 0 1 0 0 0 0 albo 1 0 albo 1

3 0 1 1 0 1 0 albo 1 1

4 1 0 0 0 0 0 albo 1 0 albo 1

5 1 0 1 0 1 0 albo 1 1

6 1 1 0 0 1 0 albo 1 1

7 1 1 1 1 1 1 1

Wariant drugi, oznaczony w tablicy jako y2, wyraża myśl, że wentylator ma

pracować już kiedy dowolne dwa przekaźniki wykażą przekroczenie

określonej wartości temperatury.

Wprowadzenie 19

Nr stanu

argumentów

1x

2x

3x

1y

2y

3y

4y

0 0 0 0 0 0 0 0

1 0 0 1 0 0 0 albo 1 0 albo 1

2 0 1 0 0 0 0 albo 1 0 albo 1

3 0 1 1 0 1 0 albo 1 1

4 1 0 0 0 0 0 albo 1 0 albo 1

5 1 0 1 0 1 0 albo 1 1

6 1 1 0 0 1 0 albo 1 1

7 1 1 1 1 1 1 1

W układach realizujących zależności y1 = f1(x1,x2,x3) i y2 = f2(x1,x2,x3) 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.

Wprowadzenie 20

a) b)

...

...

u1

u2

um

y1

y2

ym

u y1x

2x

nx

1y

2y

my

układ

kombinacyjny

),.....,( 2111 nxxxfy

),.....,( 2122 nxxxfy

),.....,( 21 nmm xxxfy

...........................

Działanie układu kombinacyjnego opisują zależności (funkcje):

Funkcje, których zmienne niezależne (argumenty) i zmienne zależne mogą

przyjmować tylko dwie wartości nazywają się funkcjami logicznymi

dwuwartościowymi.

Binarne

sygnały

wejściowe

Binarne

sygnały

wyjściowe

Wprowadzenie 21

Nr stanu

argumentów

1x

2x

3x

1y

2y

3y

4y

0 0 0 0 0 0 0 0

1 0 0 1 0 0 0 albo 1 0 albo 1

2 0 1 0 0 0 0 albo 1 0 albo 1

3 0 1 1 0 1 0 albo 1 1

4 1 0 0 0 0 0 albo 1 0 albo 1

5 1 0 1 0 1 0 albo 1 1

6 1 1 0 0 1 0 albo 1 1

7 1 1 1 1 1 1 1

Nr stanu

argumentów

1x

2x

3x

1y

2y

3y

4y

0 0 0 0 0 0 0 0

1 0 0 1 0 0 0 albo 1 0 albo 1

2 0 1 0 0 0 0 albo 1 0 albo 1

3 0 1 1 0 1 0 albo 1 1

4 1 0 0 0 0 0 albo 1 0 albo 1

5 1 0 1 0 1 0 albo 1 1

6 1 1 0 0 1 0 albo 1 1

7 1 1 1 1 1 1 1

Opis wariantów oznaczonych jako y3 i y4 jest niejednoznaczny.

Układ z sygnałem wyjściowym y3 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: x1 = x2 = x3 = 0

lub może być 1 jeżeli stany te poprzedzało zdarzenie: x1 = x2 = x3 = 1.

Wprowadzenie 22

Układ z sygnałem wyjściowym y3 (także układ z sygnałem wyjściowym y4)

musi mieć możliwość pamiętania pewnych zdarzeń; układy takie nazywają

się układami z pamięcią albo układami sekwencyjnymi.

Przebieg sygnału wyjściowego y3 zależy od kolejności (sekwencji) zmian

sygnałów wejściowych, informujących o stanie realizowanego procesu

(podobnie w przypadku układu z sygnałem wyjściowym y4); 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.

Wprowadzenie 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.

Układy sekwencyjne czasowo zależne są układami bez sygnałów

wejściowych; działają bez kontroli przebiegu realizowanego procesu.

1 – wałek z krzywkami; 2 – silnik; 3 – przekładnia; 4 – przekaźniki;

5 – pokrętło sterowania ręcznego

Przykład programatora

czasowego

Wprowadzenie 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.

Operator po ułożeniu blachy, naciśnięciem odpowiedniego przycisku Start

wywołuje cykl ruchów siłowników wg tzw. diagramu krokowego.

diagram krokowy

Wprowadzenie 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.

Czujnik

wykrywający

położenie tłoka

a1 a2 b1 b2

c1 c2

siłownik A siłownik B siłownik C

Wprowadzenie 26

A B

a b ecd

y1 y2

A B

a b ecd

y1 y2

CA B

ay cyby

Schemat układów napędowych przyrządu do zaginania blachy

a1

ı a2

ı b1

ı b2

ı c2

ı c1

ı

Start

a1

a2

b1

b2

c1

c2

Układ sterowania

binarnego

(układ przełączający)

ay

by

cy

Wprowadzenie 27

Sygnałami wejściowymi układu sterującego pracą urządzenia są sygnał z

przycisku Start i sygnały czujników wykrywających położenia tłoczysk;

sygnałami wyjściowymi – sygnały wywołujące ruchy siłowników .

Start

a1

a2

b1

b2

c1

c2

ya

yb

yc

Układ sterowania

binarnego

(układ przełączający)

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.

Wprowadzenie 28

Obszary występowania procesów dyskretnych:

procesy technologiczne związane z produkcją elementów,

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.

Wprowadzenie 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).

Historia 30

Pneumatyka w IXX wieku. Sprężone powietrze staje się powszechnie

dostępnym nośnikiem energii, wyprzedzając o kilka dziesięcioleci

wykorzystanie energii elektrycznej.

Zegar pneumatyczny

Centrala z tzw. zegarem matką, która sterowała pneumatycznymi

zegarami (ponad 6000), rozmieszczonymi w różnych obiektach

w Paryżu

Historia 31

Stacja nadawcza poczty pneumatycznej. Pierwsza poczta pneumatyczna

została uruchomiona w Londynie w 1858 r.

Stan aktualny 32

Zautomatyzowane

stanowisko produkcyjne

Stan aktualny 33

Przykład linii produkcyjnej zautomatyzowany środkami pneumotroniki

Stan aktualny 34

Elementy pneumatyczne

firmy PREMA

Stan aktualny 35

Programowalne wyspy

zaworowe firmy FESTO

Stan aktualny 36

Elementy wytwarzające podciśnienie

i końcówki chwytaków

podciśnieniowych firmy FESTO