RAČUNALNO UPRAVLJANJE TEHNIČKIM SUSTAVIMA

1. RAČUNALNO UPRAVLJANJE TEHNIČKIM SUSTAVIMA

2. LITERATURA Skripte na web stranicama NASTAVA I ISPITI 2+1 sat, ( 2 kolokvija 22.11.2010 i 24.01.2011 ) ili usmeni ispit – prethodno potrebno kolokvirati laboratorijske vježbe iz PLC-a kod Matića ( uvjet za potpis )

3. CILJ KOLEGIJA • Osiguratiznanjaizpodručjavođenjaprocesauzpomoć računala. • Touključujeznanjao: • procesima kojeg želimo upravljati • tehničkimsustavimazavođenjeprocesa (njihovimosnovnimdjelovima, principimarada senzora i aktuatora, arhitekturiračunala za vođenje procesa) • osnovamaizgradnjetakovihsustavasnaglašenomprimjenomnabrodu

4. UVOD • Računala zauzimaju važan položaj u većini ljudskih aktivnosti. Većina procesa upravlja se računalom (avion, brod, automobilski motor…) • Računala nadgledaju i vode proces po programu, “osjećaju” process i “djeluju” na process • Ekspertni sustav – računalo koje zamjenjuje stručnjaka (eksperta) – primjer je sustav za diagnostiku kvarova • Umjetna inteligencija – čovjek se trudi da računalu doda određene ljudske osobine ( primjer je prepoznavanje lica i emocija )

5. Proces je određeno djelovanje na materiju, energiju ili informaciju. Da bi se proces mogao voditi elektroničkim računalom određene veličine procesa se moraju pretvoriti u električne veličine ( brodski motor ). Zagađenje se ne može pretvoriti u električni signal (pijavice). Brzi procesi se uglavnom prate pomoću računala, spori procesi se mogu pratiti i na drugi način.

6. MJERNA SREDINA,SENZORI I IZVRŠNI ORGANI • Mjernasredina – sredinaukojojsemijenjaju fizikalne , ukojojseodvijaproceskojidovodidopromjene fizikalnih veličina • Senzori – pretvaračirazličitihfizikalnihveličina ( tlak, temperatura, sila, brzina, kutzakreta, radioaktivnozračenje, vlažnost, gustoćadima ) uelektričnesignale (analogni, digitalni) • Informacijauelektričnomsignalumožebitisadržanauamplitudi, frekvenciji, fazi, širiniimpulsa … • Izvršniorgani – poddjelovanjemsignalaizračunalavršeregulacijskodjelovanjenaproces.

7. 2. VRSTE RAČUNALNIH SUSTAVA • On line sustav (sustav realnog vremena) • – sustav kod kojeg se podaci izravno električnim vodovima unose u računalo. Računalo izravno upravlja izvršnim organima. • Vrijeme unosa podataka reda veličine mikrosekunde. • -Upravljanje brzim procesima – npr. automobilski motor. • Off line sustav • - unos podataka ručno ili preko nekog medija. • vrijeme unosa podataka sati, dani, tjedni. • npr. program za obradu plaća

8. Koraci za izgradnju on line sustava: • definiranje što sustav treba raditi? • izrada mjernog i upravljačkog algoritma (program) • specifikacijahardwaera - senzora, međusklopova, računala, izvršnih organa … • interdisciplinarni pristup – suradnja stručnjaka je neminovna. ( tunel, šok soba ).

9. PRIMJER INTELIGENTNOG ON LINE SUSTAVA Inteligentno ponašanje – mogućnost sustava da se prilagodi novonastaloj situaciji.

10. Primjer križanja ( magnetski senzori, semafori ) • Računalo koje upravlja križanjem omogućava • -provjeru ulaznih mjernih vrijednosti (brzine od 5 do 75 km/h) • -provjera izvršnih organa (da li rade svijetla semafora) • -diagnostički program (detekcija i označavanje pokvarenog sklopa) • inteligentna zamjena signalizacijskog plana ukoliko je računalo “nezadovoljno” --protokom prometa • -rezervni način vođenja (redundantni sustavi) ili ručno vođenje

11. 2.2 OSNOVNI PRINCIPI I SKLOPOVSKI ELEMENTI SUSTAVA Usporedba čovjek - računalnisustav ljudskisenzori ( vid, sluh, okus, miris, dodir )

12. TERMINOLOGIJA MJERENJE– mjerenjejednemjerneveličineiprikazkorisniku (radsaotvorenompetljom ) primjer: infracrvenidaljinometar. PRAĆENJEPROCESA – istovremenomjerenjeiprikazvelikogbrojarazličitihparametarainjihovogmeđudjelovanja. Računarski sustav ne donosi odluko o intervenciji. On samo sugerira odluku (ekspertni sustavi). REGULACIJA– reguliranjejedneveličinekoristećielektričnuzatvorenupetlju ( PIDmikroprocesorskiregulator ) UPRAVLJANJE PROCESA – uključuje praćenje procesa i automatsku intervenciju u proces – manje složeni proces , mora se misliti i na nepredviđene situacije.

13. Osnovni sklopovski elementi sustava za mjerenje i praćenje procesa Sustav =mjerna sredina+digitalno računalo+sklopovi koji ih povezuju

14. 2.2.2. ANALOGNA OBRADA SIGNALA Prije A/D pretvorbe nužno je kondicionirati signal koji sadrži mjernu veličinu Kondicioniranje – prilagođivanje različitih signala koje dolaze sa senzora obliku i veličini koji se može dovesti na A/D pretvarač ( pri tome se mora održati točnost informacije ). Kondicioniranje je moguće i u samom senzoru. Kompenzacija nelinearnosti senzora

15. 2.2.3 MULTIPLEKSORI • Svrha mu je izbjegavanje više A/D pretvarača • A/D pretvarači su brzi a ulazne veličine mjenjaju se relativno sporo pa je moguće da jedan A/D pretvarač poslužuje više senzora. • Multiplexor usmjerava više senzora na jedan analogni izlaz. Mux svakom senzoru dodjeljuje određeno vrijeme (time sharing). Na izlazu Mux-a se u jednom trenutku vremena može nalaziti signal samo jednog senzora. • Vrijeme koje Mux dodjeljuje senzorima može se razlikovati za različite senzore. • Računalo upravlja multipleksorom i određuje redosljed “prozivanja” senzora koji ne mora biti strogo sekvencijalni.

16. 2.2.4 UZIMANJE UZORAKA ANALOGNOG SIGNALA I A/D PRETVORBA • Analognisiganalizsenzoramorasediskretiziratipovremenuiamplitudi ( otipkavanjeiA/Dpretvorba ) – manadigitalneobradejerseunosioštećenjeinformacije. • Diskretizacijapovremenu mora biti takovadakoraciuzimanjauzorakasignalabududovoljnogustidaseneizgubitinitijedanharmonikkorisnogsignalaitimeoštetiinformacija. • Diskretizacija po amplitudi mora imati dobro razlučivanje. Mora se točno pratiti amplituda signala. • A/D pretvarač pretvara analogni signal u binarni broj. A/D pretvarač mora imati dovoljan broj bitova kojima se prikazuje analogni signal

17. 2.2.5 INTERFACE (SUČELJA) ZA ULAZ I IZLAZ PODATAKA • Interfejsslužidabiserazličitivanjskisklopovipovezalisračunalom. Interfejskoordiniraiusklađujeradračunala i vanjskih sklopova. Računalo i vanjski sklopovi imaju različite načine i brzine rada. • Interfejsi su sklopovski standardizirani. Različitosti ulazno-izlaznog prijenosa definira se programima ( pune se određeni registri interfejsa i time se standardizirani sklop interfejsa “nauči” da radi u specifičnoj situaciji ) • Paralelni interfejsi – prijenos cijele riječi odjednom • Serijski interfejs – prijenos bit po bit – udaljena komunikacija

18. 2.2.6 DIGITALNO RAČUNALO Najvažniji element sustava Velika brzina rada, mogućnost obrade velike količine podataka u kratkom vremenu, davanje kvalitetne informacije voditelju procesa Mjerni i upravljački algoritam kodira se u određenom jeziku i unosi u računalo

19. 2.2.7 PRIKAZ IZLAZNIH PODATAKA Izlaznipodacisemoguproslijeditiizvršnimsklopovima (aktuatorima) kojivršeintervencijuuproceskojiseupravlja ( radsaelektričkizatvorenompeljom) ilisesamomoguprezentirati čovjekuprekoekrana . Čovjekmožereagiratinapodatkekojemuprezentiraračunaloiinterveniratiuproces ( petljasezatvarapreko čovjeka – otvorena petlja), ilineintervenirati – mjerenje (nema zatvaranja petlje). Prezentacija je moguća preko terminala (vertikalni štapići), ili printera. Moguće pamtiti sve promjene na vanjskoj memoriji.

20. 2.2.8 DIGITALNO ANALOGNI PRETVARAČ Pretvara binarne brojeve u analogni signal ( napon ili struju ) za upravljanje izvršnim organima 2.2.9 PRILAGOĐENJE IZLAZNOG ANALOGNOG SIGNALA IZLAZNOM ČLANU Uprocesimasekoristenajrazličitijiizvršniorganikojizahtjevajurazličitepobude. Snaga pobude mjeri se u W i kW. Izlazi D/A pretvarača reda veličine nekoliko volti i nekoliko desetaka mA pa je potrebno izvršiti energetsko prilagođenje (energetska elektronika)

21. 3. SLOŽENIJI SUSTAV ZA UPRAVLJANJE PROCESIMA

22. Složenijisustavopslužujevišesenzoraiizvršnihorgana ( brzinapromjeneulaznihveličinaunačeluspora, brzinaradaračunalaunačelubrza ) • Redosljeduzimanjauzorakasenzoramožeodređivatiračunalo. Redosljeduključivanjaizvršnihorganatakođemožeodređivatiračunalo.

23. 3.1 SENZORI Zadataksenzorajedaseodređenamjernaveličinaizprocesaizraziuelektričnomobliku ( vrlosloženzahtjev ) Danas postoji više od 10000 vrsta senzora koji obrađuju više od 100 različitih parametara Svaki je senzor nauka za sebe – veoma su skupi Postoje senzori s analognim izlazom i senzori sa digitalnim izlazom

24. Analogni senzori – položaj, tlak, temperatura, protok, brzina, razina … i pri tome se primjenjuju razni fizikalno kemijski principi za dobivanje električnog signala Senzori sa digitalnim izlazom ili digitalni davači Pametni senzori – analogni senzori sa mikroprocesorom. Mogu davati analogni ili digitalni izlaz. Oplemenjeni senzor daje kvalitetnije izlazne signale Osnovno svojstvo senzora: ne smiju djelovati na sredinu u kojoj mjere.

25. 3.1.1 SENZORI S ANALOGNIM IZLAZOM Osnovnasvojstvasenzorasutočnostibrzinaodziva ( sposobnostsenzoradase štovišepribližimjerenojveličini ). Na točnost senzora utječe: -statička greška -dinamička greška -greška ponovljivosti dobivenog signala (reproducibilnost) -mrtvo vrijeme (dead time) -mrtvo područje (dead zone)

26. -statička greška – odstupanje vrijednosti koje je senzor detektirao od točne vrijednosti fizikalne veličine u slučaju stalne fizikalne veličine. Izražava se u postotcima odstupanja od cijelog mjernog područja -dinamička greška - odstupanje vrijednosti koje je senzor detektirao od točne vrijednosti fizikalne veličine u slučaju promjene fizikalne veličine. Nastaje samo kad se mjerena veličina mjenja i pada na nulu kad se mjerena veličina ustali (uzrok je što vrijednost koju senzor mjeri kasne za stvarnom promjenom mjerene veličine).

27. -greška ponovljivosti dobivenog signala ( reproducibilnost ) – maksimalno odstupanje ponovnih mjerenja od srednje vrijednosti u slučaju kad je mjerena vrijednost stalna. Ako senzor ima malu grešku ponovljivosti radi se o sistematskoj greški koju je moguće ispraviti određenim ugađanjima (senzor uvijek ponavlja istu pogrešnu vrijednost). Ako senzor ima veliku grešku ponovljivosti onda se radi o slučajnim greškama i nije moguće popraviti senzor ugađanjima.

28. -- mrtvo vrijeme( dead time )– vremenski pomak od trenutka kad se mjerena veličina stvarno promijeni da trenutka kada se iskaže na izlazu senzora – usporava cijeli ulazni lanac pa je neprihvatljivo za brze procese. -mrtvo područje (zona) – najveća promjena mjerene veličine do koje može doći a da se ne promjeni izlazni signal iz senzora (osjetljivost senzora).

29. 3.1.2 SENZORI S DIGITALNIM IZLAZOM ( DIGITALNI DAVAČI ) Najjednostavnijidigitalnisenzor – prekidač – senzorsajednobitnimizlazom – iliimasignalailiganema ( možeseaktiviratiručno – javljač požara, plovkom, ICzrakom, porastomtlaka - presostat… )

30. Višebitni digitalni senzor: mjerač vremena prednji brid impulsa start – početak brojenja prednji brid impulsa stop – kraj brojenja zadnji brid impulsa start – zahtjev za prekid programa i prijenos podatka u računalo

31. mjerenje vrlo točno, stabilnost frekvencije • moguća greška kod senzora  1 bit radi • nesinhroniziranosti start i stop impulsa sa impulsima u oscilatoru. • otklanjanje greške velikom frekvencijom kvarcnog oscilatora i dovoljno veliki broj bita brojila

32. Višebitni digitalni senzor: inkrementni davač

33. -svaki sektor diska predstavlja odgovarajući binarni broj, a pojedini vjenci bit • -moguće registrirati kut pomoću četiri para optocouplera ili pomoću četkica – prikaz azimuta, elektronička vaga • disk se zakrene za odgovarajući kut, svaki kut generira binarni broj koji se unosi u računalo (tamni djelovi jedinice,svijetli nule)

34. Inkrementalni davač

35. Čitači bar kodova • bar kod se sastoji od niza debljih i tanjih vertikalnih • Linija • nosioc informacije je štapić i svijetliji međuprostori • EAN kod sa 13 znakova: • ZZZ PPPPAAAAA K • ZZZ - prefiks • PPPPAAAAA - nacionalni broj artikla • K – kontrolni broj

37. 3.2 OBRADA ANALOGNOG SIGNALA Sklop za analolgnu obradu signala povezuje senzore sa multipleksorima i A/D pretvaračima, te također povezuje izvršne članove s D/A pretvaračima Sve ono što treba napraviti sa signalom iz senzora da bi se prilagodio ulazu u A/D pretvarač spada u analognu obradu signala. Važan je oblik i napon analognog signala .

38. Linearizacija prijenosne karakteristike – korektivnom mrežomispavlja se greška nelinearnosti senzora ( moguća i digitalna linearizacija – računalo izvodi algoritam lineariziranja ). Pojačala moraju imati linearnu prijenosnu karakteristiku. Oni prenose signal u neko drugo naponsko područje ali ne smiju mjenjati njegov oblik (informaciju).

39. Linearizacija prijenosne karakteristike

40. Filtriranje analognih signala (eliminacija smetnji i šumova) analogni i digitalni filtri

41. Svođenje svih ulaznih signala u određeno električno područje – kondicioniranje signala. Primjer: temperature 0 do 100 stupnjeva se svode na naponski opseg 0 do 10 V.

42. Digitalna obrada analognih signala Za analognu obradu sugnala često se koriste i specijalni brzi procesori DSP – digital signal procesing koji imaju specijalan hardware za ubrzavanje (za industrijsku upotrebu nisu potrebni brzi procesori jer je frekvencija signala malena) • -gornja granična frekvencija reda veličine nekoliko desetaka kiloherca ( brzina uzimanja uzoraka 20 MHz ) • digitalna korelacija, procesiranje radarskih signala, govora, identificiranje tipa podmornice • Za eventualne promjene o načinu obrade analognih signala nije potrebno mjenjati sklopove nego samo program

43. Digitalna obrada analognih signala

44. 3.3 MULTIPLEKSORI I MULTIPLEKSIRANJE MUX usmjeravavišeulazasasenzoranajedanizlazaliu različitimvremenskimtrenutcima (MUX-om upravlja računalo)

45. Postoje analogni i digitalni multipleksori • Analogni multipleksori usmjeravaju analogne signale, a digitalni multipleksori digitalne signale. • Pri tom usmjeravanju ne smije doći do oštećenja signala (teže je taj zahtjev ispuniti analognim multiplekserima nego digitalnim – lakše je oštetiti analogni signal )

46. Princip analognog multipleksiranja ( najčešće zbog potrebe za jednim A/D pretvaračem )

47. Princip multipleksiranja siganla iz različitih grupa vrlo različitih senzora

48. Princip multipleksiranja kad se odmah vrši A/D konverzija i digitalno multipleksiranje

49. Ako se analognom signalu opsega od 0 do 5 V odgovara mjerena temperatura od 0 do 100C i uslijed smetnje napon sa 5 V (100C) se smanji na 4 V (smanjenje iznosi 1 V) nastaje greška od 20% (80C). • U slučaju digitalnog signala gornja smetnja uopće ne utiječe na informaciju • Greške digitalnih signala su rijetke, ali mogu biti katastrofalne – zato postoje metode korekcije grešaka( više uzastopnih slanja podataka ) • MOS, CMOS, HTL bolji od TTL tehnologije – manja imunost na smetnje

50. 3.4.1 SKLOPOVI ZA UZIMANJE UZORAKA Uzimajuseuzorcianalognogsignalauodređenimvremenskimrazmacima – najkritičnijikorak – velikamogućnostkvarenjainformacije FunkcijasklopajeuzimanjetrenutnevrijednostianalognogsignalainjegovopamćenjedokseneizvršiA/Dkonverzija