Hardver za automatizaciju - osnove

DC adapter

Izvor napajanja 

Svako električno kolo treba izvor napajanja. Većina hardvera za automatizaciju kao što su senzori i kontroleri rade sa niskim naponom DC. Većina njih zahteva izvor napajanja koji ima 5 V do 24 V DC potencijalnu razliku. Pošto električna mreža obično obezbeđuje napajanje naizmeničnom strujom, potrebni su nam AC u DC pretvarači. DC adapter je prikazan na slici. Ima kleme za povezivanje žica koje napajaju naizmeničnu struju i kleme  za izlaz jednosmerne struje na 24 V. Prilikom izbora izvora napajanja, moramo uzeti u obzir napon, maksimalnu struju i maksimalnu snagu koju adapter dozvoljava. Pogrešni adapteri mogu oštetiti kolo i uređaje. Takođe treba voditi računa o povezivanju uređaja sa ispravnim polaritetom. Preokretanje pozitivnih i negativnih terminala može dovesti do nepravilnog funkcionisanja uređaja i njegovog oštećenja.

Kablovi 

Kablovi se koriste za prenos snage kao i podataka. Kabl za napajanje naizmeničnom strujom obično ima tri žice, za liniju, neutralnu i uzemljenje. Žica za uzemljenje je predviđena da ukloni svaki napon koji se razvije na telu opreme tako što se isprazni u zemlju. DC kabl za napajanje obično ima samo dve žice, jednu za pozitivnu, a drugu za negativnu. Žice su označene bojama za laku identifikaciju pozitivnih i negativnih strana. Obično je crvena pozitivna, a negativna žica je crna ili plava. Ako se kabl koristi za prenos podataka u obliku napona ili struje, možda će biti neophodno sprečiti indukovane struje u žici usled elektromagnetnih smetnji sa električnom opremom u blizini. Da bi se to postiglo, korišćeni su kablovi sa upredenim paricama i oklopljeni kablovi.

Senzori

Senzor je svaki uređaj koji meri fizičko stanje. Postoji mnogo tipova senzora koji se koriste. Koriste se za praćenje kao i za preduzimanje kontrolnih radnji na osnovu trenutnog stanja. Na primer, senzori temperature i vlažnosti se koriste u klimatizaciji; senzori pokreta i svetlosni senzori (fotosenzori) se koriste za upravljanje svetlima; hemijski senzori koji mere količinu CO2 i isparljivih organskih jedinjenja (VOC) u vazduhu koriste se za određivanje količine svežeg vazduha. Sa široko rasprostranjenom upotrebom senzora u električnim, mehaničkim i građevinskim sistemima, interfejsi senzora su standardizovani. Postoje tri standarda:
• Analogni izlaz: proizvodi jednosmerni napon (obično u opsegu 0-10 V ili 0-5 V) ili strujni izlaz (obično u opsegu 4-20 miliampera). Proizvedeni napon ili struja proporcionalni su vrednosti merenog parametra.
• Binarni izlaz: izlaz dve diskretne vrednosti, visokog ili niskog napona.
• Digitalni izlaz: proizvodi impulse napona koji se tumače kao binarni brojevi. Tipično, dva različita nivoa napona se koriste za označavanje jedinica i nula.
Senzori obično proizvode četiri tipa izlaza:
a Binari
b Analog
c digitalno (serijsko)
d Otpor
Ovi izlazi postaju ulaz za kontrolere.

Analogni izlazni uređaji mere kontinuirani opseg vrednosti parametara. Preslikavanje između napona i fizičkog parametra se dobija kalibracijom senzora. Mnoga merenja se vrše u kontrolisanim uslovima u kojima je poznata stvarna vrednost fizičkog parametra. Takođe se snima odgovarajući izlazni napon (ili struja) senzora. Iscrtavanjem tačaka sa naponom na k-osi i stvarnim vrednostima parametra na i-osi, postavlja se kriva koja prolazi kroz tačke što je bliže moguće. Ova kalibraciona kriva se koristi za pretvaranje napona u fizički parametar. U idealnom slučaju, poželjna je kriva linearne kalibracije jer je konverzija jednostavna za implementaciju. Mnogi sistemi za prikupljanje podataka omogućavaju korisnicima da unesu kalibracionu krivu specificirajući nagib i presek linije. Unošenje nelinearne krive je teže.

Digitalni izlazni uređaji proizvode binarne vrednosti. Postoji mnogo uređaja koji detektuju binarna stanja; da li je korisnik pritisnuo dugme, da li se neko nalazi u prostoriji, da li ima dima u prostoriji, da li je neki parametar prekoračio dozvoljene vrednosti itd. Takvim uređajima je potreban samo binarni izlaz, da bi ukazali da li je rezultat da ili ne. U zavisnosti od konvencije, nulti napon označava vrednost ne, a određeni napon (recimo 5 V) označava vrednost da. Koristeći binarna stanja nula i jedan, senzori bi mogli preneti složenije podatke. Podaci se konvertuju u niz bitova koji predstavljaju ili jedan ili nulu. Ponekad senzori niskog nivoa ne proizvode standardni izlaz u obliku napona ili struje. Takvim senzorima su potrebni predajnici za pretvaranje izlaza u standardne forme. Uobičajeni primer je izlaz u obliku promene otpora.
Standardni merači naprezanja rade na principu da se električni otpor menja sa dužinom materijala. Zbog naprezanja, kada se dužina materijala promeni, dolazi do male promene u električnom otporu. Promena otpora se može pojačati i pretvoriti u struju koristeći ono što se zove mostno kolo. Dostupni su različiti tipovi mosnih kola, a oni su obično dostupni u sistemima za prikupljanje podataka za pretvaranje otpora u napone ili struje u opsegu koji se može očitati jedinicama za očitavanje. Međutim, ako se koriste kontroleri niskog nivoa, možda će biti potrebni odvojeni predajnici, a za njih su potrebna mostovna kola da bi proizvela izlaz koji se može očitati putem ulaznih kanala kontrolera. Iako merač naprezanja proizvodi izlaz u obliku promenljivog otpora, izlazni pin ploče proizvodi analogni izlaz od 5 V koji se može očitati mikrokontrolerom. Takvi predajnici se mogu koristiti za procenu opterećenja u građevinskoj automatizaciji.

 

Aktuatori

 
Aktuator je uređaj koji vrši radnju. Postoje dve vrste aktuatora: električni i mehanički.
Električni aktuatori regulišu struje u kolima. Mehanički aktuatori primenjuju silu ili proizvode kretanje. Aktuatori primaju ulaz u obliku struje i napona, obavljajući potrebnu akciju.
Analogno senzorima, postoje tri standardna interfejsa:
• Analogni ulaz: DC napon (obično u opsegu 0-10 V ili 0-5 V) ili struja (obično u opsegu 4-20 miliampera). Napon ili struja je proporcionalna vrednosti potrebne količine kretanja.
• Binarni ulaz: dve diskretne vrednosti, visoki ili niski napon.
• Digitalni ulaz: impulsi napona koji se tumače kao binarni brojevi. Tipično, dva različita nivoa napona se koriste za označavanje jedinica i nula.
Ponekad se ulaz aktuatora može direktno povezati sa izlazom senzora; vrednost senzora će tada direktno odrediti količinu aktiviranja. Međutim, poželjno je koristiti kontroler za aktiviranje izlaznih uređaja umesto slanja signala direktno sa senzora.
 

Električni aktuatori

Električni aktuatori se obično koriste za upravljanje električnom opremom. Ručno upravljani prekidači imaju ograničenu primenu u automatizaciji. Potrebni su nam prekidači koji rade elektronski. U zavisnosti od trenutnog stanja i spoljašnjih uslova, možda bismo želeli da pokrenemo ili zaustavimo uređaj programski. Električni aktuatori otvaraju ili zatvaraju kolo ili šalju signale u obliku struja za uređaje koji rade. Najčešći uređaj za ovo je magnetni relejni prekidač. Može se smatrati programabilnim prekidačem. Navikli smo na ručne prekidače za uključivanje ventilatora i svetla. Pretpostavimo da to želimo da uradimo programski preko računara. Potreban nam je uređaj koji može da otvori ili zatvori kolo slanjem komande sa računara. Komande sa računara mogu se slati samo pomoću električnih signala. Dakle, potreban nam je prekidač koji radi na osnovu kontrolnih signala u obliku struja ili napona. Kontaktor je posebna vrsta releja koji se koristi u kolima sa visokim opterećenjem, kao što su motori. Kontaktori su robusniji uređaji, ali koriste isti princip kao i elektromagnet. Kontrolna struja potrebna za kontaktore je veća od one koju mogu obezbediti mikrokontroleri. Magnetni relej je elektromehanički uređaj sa pokretnim delovima. Pokretni delovi izazivaju buku i dugoročno utiču na pouzdanost prekidača. Prekidač bi se mogao zaglaviti i sistem bi mogao pokvariti, posebno kada postoji velika struja u glavnom kolu. Razvijeni su čvrsti releji koji izbegavaju ove probleme. Oni su napravljeni od poluprovodnika, koji nemaju pokretne delove. Druga vrsta električnog aktuatora je prekidač releja termostata. Termostati koriste princip da se različiti metali šire različitim brzinama kada se temperatura podigne. Bimetalna traka se savija zbog nejednakog širenja. Ovaj princip se koristi za pravljenje prekidača koji se uključuju kada temperatura dostigne zadatu tačku. Dakle, termostat je i senzor i aktuator.

Mehanički aktuatori

Postoji mnogo vrsta mehaničkih aktuatora, u zavisnosti od vrste kretanja. Rotacioni aktuatori, linearni aktuatori, elektromagnetni ventili, amortizeri, itd. Najosnovniji i najčešći aktuator je motor koji proizvodi rotaciono kretanje. Mnogi drugi tipovi aktuatora koriste motore za proizvodnju drugih vrsta pokreta. Obrtni moment i brzina su najvažniji parametri pri izboru motora. Postoje DC i AC motori. AC motori se obično koriste za veća opterećenja. DC motor radi na principu da se provodnik koji provodi struju pod uticajem stvorene sile pokreće u magnetnom polju. Trajni magneti u DC motoru proizvode magnetno polje koncentrisano gvozdenim jezgrom u njegovom centru. Zavojnice žica koje vode električnu struju rotiraju oko jezgra zbog elektromagnetnih sila koje nastaju kretanjem elektrona u žicama. Obrtni moment koji proizvode kalemovi prenosi se na osovinu motora na koju je povezano spoljno opterećenje. Brzina DC motora zavisi od primenjenog napona; za konstantno opterećenje možete povećati brzinu povećanjem napona do maksimalno dozvoljene vrednosti. Brzina je obrnuto proporcionalna opterećenju (momentu) za isti napon. Maksimalna brzina se javlja kada nema opterećenja, a brzina opada linearno sa opterećenjem. Maksimalna brzina motora je navedena u rotacijama u minuti (RPM). Promena polariteta izaziva rotaciju u obrnutom smeru. Jednostavan DC motor ne daje nikakvu povratnu informaciju o stvarnom broju napravljenih rotacija. Ove informacije su potrebne za tačnu kontrolu kretanja. Koračni motori i servo motori koriste ove informacije.

 

DC servomotor

A pulse train to control a servo

 

Servomotori
Servomotori su AC ili DC motori sa povratnom informacijom o položaju. Enkoderi se koriste za merenje koliko se osovina motora rotirala. Položaj rotacije vratila može se odrediti potenciometrom ili pomoću optičkih senzora. Otpor potenciometra se menja kada se osovina okreće. Merenjem otpora može se odrediti ugao rotacije. Optički enkoderi rade tako što broje markere uz upotrebu izvora svetlosti i fotodetektora. Informacije iz enkodera se koriste za precizno upravljanje rotacijom servo motora. Mali jednosmerni servomotor je prikazan na slici. Spolja izgleda kao jednostavan DC motor. Koder i drugi detalji nisu vidljivi spolja. Kod nekih servomotora, rotacija osovine je ograničena na uglove unutar određenog opsega, na primer od 0 stepeni do 270 stepeni. Postoje servomotori sa kontinuiranom rotacijom bez ovog ograničenja. Pošto u servo sistemima sa kontinualnom rotacijom nema ograničenja za ugao (može biti nekoliko višekratnika pi), obično se kontroliše brzina rotacije umesto ugla. Komad elektronskog hardvera u obliku ploče koji se naziva servo kontroler koristi se za upravljanje servomotorom. Ugao ili brzina se daje kao ulaz za servo kontroler. Standardni metod pružanja ulaza za servo kontroler je korišćenje niza naponskih impulsa, koji se nazivaju niz impulsa (slika). Po konvenciji, širina pulsa označava potrebnu poziciju. Ako se zahtevani položaj razlikuje od trenutnog položaja, kontroler će obezbediti napon motoru da se kreće napred ili nazad. Napon se podešava dok se ne postigne željeni položaj. Standardni servo kontroleri koriste impulse od 50 Hz (impulsi se ponavljaju 50 puta u sekundi, odnosno jedan impuls na svakih 20 milisekundi). Širina impulsa je obično u opsegu od 1 do 2 milisekunde, pri čemu najniža širina impulsa ukazuje na minimalnu poziciju, a maksimalna širina impulsa na maksimalnu poziciju. U slučaju servo sistema kontinuirane rotacije, umesto rotacije vratila u određeni ugaoni položaj, brzinu rotacije zadajemo u obliku širine impulsa. Kontroler pokušava da natera motor da se neprekidno rotira u određenom smeru pri navedenoj brzini. Mikrokontroleri mogu da generišu nizove impulsa kroz svoje izlazne kanale postavljanjem izlaza na ON poziciju (visoki napon) za potreban vremenski interval. Funkcije za generisanje impulsa određene širine i frekvencije su deo biblioteka za razvoj softvera popularnih kontrolera. Tako možemo programski promeniti brzinu ili položaj servomotora preko ovih kontrolera.
 

Koračni motori
Koračni motori su DC motori koji imaju više grupa namotaja. Motor se rotira za mali ugao kada je kalem pod naponom. Ponavljanjem procesa za svaku grupu namotaja, motor se rotira u diskretnim koracima, jedan po jedan. Precizna kontrola položaja može se postići koračnim motorima. Stoga se koriste u 3D štampačima i robotici. Međutim, pošto obično rade na niskom naponu jednosmerne struje, obrtni moment i snaga su ograničeni.
 

Dumper

 

Damperi
Damperi su uobičajeni u aplikacijama za klimatizaciju. Koriste se za kontrolu protoka vazduha kroz kanale otvaranjem ili zatvaranjem ventila. Na slici je prikazan klapni zajedno sa svojim kontrolerom. Na vrhu klapne nalazi se stezaljka za držanje osovine ventila. Rotacijom osovine ventil se otvara ili zatvara, čime se menja veličina otvora kanala. Kontroler rotira motor klapne tako da se postigne potrebno otvaranje. U nekim sistemima, klapne se ručno upravljaju. Motorizovane klapne se lako stvaraju povezivanjem osovine ventila sa motorom pomoću zupčanika.

Solenoid ventili
Elektromagnetni ventili se ugrađuju u cevi za transport tečnosti i obavljaju istu funkciju kao klapne u vazdušnom kanalu. Otvaraju ili zatvaraju cev da kontrolišu protok kroz nju i radi tako što magnetizuje električni kalem koji vuče magnetno jezgro zvano klip. Kako se klip pomera, cev se otvara ili zatvara. Ovaj uređaj bi se mogao koristiti u sistemima za vodosnabdevanje i automatizovanim sistemima za navodnjavanje.
 

A linear actuator using lead screws
 

A linear actuator using lead screws

 

A worm screw jack

 

Vertical lifting using a worm screw jack

 

Linearni aktuatori
Linearni aktuatori proizvode linearno kretanje umesto rotacionog kretanja. Lakše je raditi sa pravolinijskim koordinatnim sistemima. Određivanje linearnih kretanja u pravcima k, i i z je pogodno za precizno pozicioniranje objekta u radnom prostoru. U nekim linearnim aktuatorima, motori se koriste za proizvodnju rotacionog kretanja, koje se pretvara u linearno kretanje korišćenjem posebnih aranžmana kao što su vodeći zavrtnji, kuglični zavrtnji, pužni zavrtnji i kaiševi. Tipičan raspored je prikazan na slici. Motor rotira navojnu šipku koja se zove vodeći vijak, koristeći zupčanike. Postoji matica koja se normalno kreće kroz navoje vodećih zavrtnja kada se okreće. Kada je navrtka povezana sa opterećenjem zavarenom pločom, sprečava se njeno okretanje. Kada se šipka okreće, navrtka se gura gore ili dole silama u navoju. Stoga se kreće linearno; pomera se gore-dole kada se štap rotira i na taj način podiže ili spušta teret. Pužne utičnice rade na sličan način. Rotaciono kretanje motora se koristi za rotaciju vodećeg zavrtnja pomoću posebno dizajniranih zupčanika. Rotacija vodećih zavrtnja dovodi do linearnog kretanja tereta na vrhu štapa. Pužni vijak je prikazan na slici. Na slici je prikazan sistem za vertikalno podizanje tereta pomoću pužne dizalice. Motor je uključen sa zupčanicima pužnog vijka. Opterećenje je povezano sa vrhom vodećih zavrtnja, postavljenim na ležajeve kako bi se sprečilo rotiranje tereta kada se zavrtanj okreće.

Rack and pinion

 

Stalak i zupčanik
Sistem zupčanika sastoji se od dva glavna dela, kružnog zupčanika koji se naziva zupčanik koji se okreće na vrhu linearnog zupčanika koji se zove stalak (slika). Motor se koristi za rotaciju zupčanika, a pošto su zupci zupčanika u kontaktu sa zupcima zupčanika, on se kreće napred. Tako se rotaciono kretanje motora pretvara u linearno kretanje zupčanika.
 

Hydraulic jacks

 

Hidraulični i pneumatski aktuatori
Hidraulički aktuatori proizvode linearno kretanje kroz pritisak tečnosti u klipu. Klip se nalazi unutar cilindra koji je povezan sa sistemom koji pumpa tečnost, obično ulje (slika). Hidraulički sistemi su obično efikasniji u prenosu sila od zupčanika i osovina. Ista pumpa se može koristiti za pomeranje više cilindara koji su orijentisani u različitim pravcima bez složenih mehaničkih sistema za promenu smera sile. Štaviše, može preneti velike sile. Stoga su ovo poželjna sredstva za primenu sila u velikim građevinskim sistemima.

A direct digital controller with inbuilt router

 

Kontrolori

Termin kontroler se koristi za označavanje i softvera i hardvera. U ovom postu, termin se koristi za označavanje hardvera koji obavlja tri funkcije:
• Čitanje podataka sa senzora (prikupljanje podataka)
• Izvršite proračune kako biste odredili odgovarajuće radnje koje treba preduzeti
• Slanje komandi aktuatorima
Tri najčešće korišćena tipa kontrolera su
• Direktni digitalni kontroleri (DDC)
• Programabilni logički kontroleri (PLC)
• Mikrokontroleri
Izlaz koji proizvodi kontroler je tipično četiri tipa
a Binari
b Analog
c Modulacija širine impulsa
d Digitalno (serijsko)
DDC se široko koriste u aplikacijama za automatizaciju zgrada.
PLC-ovi se češće koriste u industrijskim sistemima.
    Mikrokontroleri su popularniji u aplikacijama robotike i hobi elektronike.
    Direktni digitalni kontroler sa ugrađenim ruterom je prikazan na slici. Ima skup ulaznih kanala na koje su senzori povezani. Postoje izlazni kanali na koje su povezani aktuatori. Isti takav mikroprocesor je u desktop računarima. Programi se mogu pisati na popularnim programskim jezicima visokog nivoa i postavljati u mikroprocesor za obavljanje proračuna radi analize ulaznih podataka i proizvodnje izlaznih podataka koji se šalju aktuatorima i drugim uređajima.
    PLC-ovi takođe imaju ulazne i izlazne kanale i obavljaju iste funkcije kao DDC. Međutim, metodologija programiranja je malo drugačija. PLC program se sastoji od skupa instrukcija koje sadrže logiku aplikacije za kontrolu sistema u realnom vremenu. Uobičajeno je da se koriste grafički jezici kao što su lestvičasti dijagrami, koji su pogodni za predstavljanje jednostavne logike. Moderni programski jezici visokog nivoa su retko dostupni za PLC-ove. Naglasak je na performansama u realnom vremenu, a ne na fleksibilnosti u programiranju.

Programabilni logički kontroleri

    Programabilni logički kontroler (PLC) je računar industrijskog kvaliteta koji je sposoban da se programira da obavlja kontrolne funkcije. Programabilni kontroler je eliminisao veliki deo ožičenja povezanih sa konvencionalnim kontrolnim krugovima releja. Ostale prednosti uključuju brzu reakciju, jednostavno programiranje i instalaciju, veliku brzinu kontrole, mrežnu kompatibilnost, pogodnost za rešavanje problema i testiranje i visoku pouzdanost.

    PLC je dizajniran za višestruke ulazne i izlazne aranžmane, proširene temperaturne opsege, otpornost na električnu buku i otpornost na vibracije i udarce. Programi za kontrolu i rad opreme i mašina za proizvodni proces obično se čuvaju u memoriji sa baterijom ili u trajnoj memoriji. PLC je primer sistema u realnom vremenu pošto izlaz sistema kojim upravlja PLC zavisi od ulaznih uslova.

    U početku je PLC korišćen za zamenu relejne logike, ali njegov sve veći opseg funkcija znači da se nalazi u mnogim i složenijim aplikacijama.

    Programabilni kontroleri nude nekoliko prednosti u odnosu na konvencionalni tip kontrole releja. Releji moraju biti ožičeni da bi obavljali određenu funkciju. Kada se sistemski zahtevi promene, ožičenje releja se mora promeniti ili modifikovati. PLC sistem je manji i jeftiniji u poređenju sa ekvivalentnim procesom zasnovanim na relej u sistemi upravljanja. Moderni sistemi upravljanja i dalje uključuju releje, ali se oni retko koriste za logiku.

Kontrolna tabla zasnovana na releju

Kontrolna tabla zasnovana na PLC-u.

    

    PLC-ovi pružaju mnoge druge prednosti uključujući:

    • Povećana pouzdanost. Kada je program napisan i testiran, može se lako preuzeti na druge PLC-ove. Program zauzima mesto velikog dela eksternog ožičenja koje bi inače bilo potrebno za kontrolu procesa. Ožičenje, iako je i dalje potrebno za povezivanje terenskih uređaja, manje je intenzivno.

    • Više fleksibilnosti. Lakše je kreirati i promeniti program u PLC-u nego ožičiti i ponovo ožičiti kolo. Kod PLC-a, odnose između ulaza i izlaza određuje korisnički program umesto načina na koji su međusobno povezani. Proizvođači originalne opreme mogu da obezbede ažuriranja sistema jednostavnim slanjem novog programa. Krajnji korisnici mogu modifikovati program na terenu, ili ako žele, sigurnost se može obezbediti hardverskim funkcijama kao što su brave sa ključevima i softverske lozinke.

    • Niža cena. PLC-ovi su prvobitno dizajnirani da zamene kontrolnu logiku releja, a uštede su bile toliko značajne da relejna kontrola postaje zastarela osim za aplikacije za napajanje.

    • Komunikacione sposobnosti. PLC može komunicirati sa drugim kontrolerima ili računarskom opremom za obavljanje funkcija kao što su nadzorna kontrola, prikupljanje podataka, praćenje uređaja i parametara procesa, kao i preuzimanje i učitavanje programa.

    • Brže vreme odziva. PLC-ovi su dizajnirani za velike brzine i aplikacije u realnom vremenu. Programabilni kontroler radi u realnom vremenu, što znači da će događaj koji se odvija na terenu rezultirati izvršenjem operacije ili izlaza. Mašine koje obrađuju hiljade stavki u sekundi i objekti koji provode samo delić sekunde ispred senzora zahtevaju sposobnost brzog reagovanja PLC-a.

    • Lakše za rešavanje problema. PLC-ovi imaju stalnu dijagnostiku i funkcije zamene koje omogućavaju korisnicima da lako prate i ispravljaju softverske i hardverske probleme.

    • Lakše testirati terenske uređaje. PLC kontrolna tabla ima mogućnost provere terenskih uređaja na zajedničkoj tački.