Microsoft PowerPoint - ZIP_2012_Podst_automat_cz

Zadania systemu automatyki

Zadania systemu automatyki:

• zbieranie informacji o zmiennych procesowych,
• obserwowanie i dokumentowanie przebiegu procesu,
• przetwarzanie matematyczne zmiennych procesowych i wypracowywanie decyzji,
• sterowanie procesem poprzez wdra anie decyzji własnych lub podj tych przez operatorów,
• realizowanie ł czno ci mi dzy lud mi (operatorami procesu) a procesem,
• autodiagnostyka,
• zbieranie informacji o zmiennych procesowych:

– pomiar sygnałów fizycznych bezpo rednio za pomoc czujników lub za po rednictwem

przetworników pomiarowych,

– przechowywanie bie cych i historycznych informacji o pomierzonych fizycznie lub

przetworzonych matematycznie sygnałach i ich parametrach w bazie danych,

• przetwarzanie matematyczne zmiennych procesowych i wypracowywanie decyzji:

– obróbka cyfrowa sygnałów (filtracja, wyznaczanie parametrów sygnałów - warto ci rednie,

odchylenia standardowe),

– dokonywanie oceny jako ci procesu,
– wyznaczanie sygnałów steruj cych w oparciu o algorytmy regulacji bezpo redniej oraz

nadrz dnej,

– analizowanie przebiegu procesu,

• obserwowanie i dokumentowanie przebiegu procesu:

– dostarczanie ci głej informacji o aktualnym stanie procesu,
– sygnalizacja stanów alarmowych,
– sporz dzanie raportów bie cych i historycznych,

• realizowanie ł czno ci mi dzy lud mi (operatorami procesu) a procesem:

– wizualizacja stanu procesu (wy wietlanie schematów synoptycznych, trendów, raportów na

wy wietlaczach paneli lub monitorach stacji operatorskich),

– sporz dzanie wydruków raportów,
– przyjmowanie polece wprowadzanych za pomoc przycisków funkcyjnych paneli

operatorskich lub klawiatur stacji operatorskich,

• sterowanie procesem poprzez wdra anie decyzji własnych lub podj tych przez operatorów:

– umo liwianie sterowania r cznego procesem w trybie bezpo redniego sterowania

urz dzeniami wykonawczymi i w trybie po rednim poprzez sterowanie zmianami warto ci

zadanych w prostych układach regulacji automatycznej,

– umo liwianie zdalnego dokonywania zmian nastaw regulatorów,
– ledzenie zadanych wielko ci wiod cych w zło onych układach automatyki kompleksowej,
– samoczynne wdra anie procedur awaryjnych,

• autodiagnostyka:

– testowanie i sygnalizowanie poprawno ci działania własnych elementów systemu,
– współpraca z procedurami sterowania przygotowanymi na wypadek stanów awaryjnych.

Zadania systemu automatyki c.d.

Warstwowa struktura funkcjonalna systemu automatyki

Warstwa urz dze wykonawczych oraz czujników

i przetworników pomiarowych

Warstwa zarz dzania

Warstwa zarz dzania operatywnego

Warstwa sterowania i regulacji nadrz dnej

Warstwa sterowania i regulacji bezpo redniej

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

Struktura funkcjonalna systemu automatyki

Poziom

obiektowy

System pomiaru

i przetwarzania

zmiennych

procesowych

System

wizualizacji,

nadzoru

i dokumentacji

przebiegu

procesu

Warstwa zarz dzania

Warstwa zarz dzania operatywnego

Proces przemysłowy

System sterowania

zmiennych

procesowych ci głych

System sterowania

zmiennych

procesowych binarnych

Warstwa regulacji

nadrz dnej

Warstwa sterowania

grup urz dze

Warstwa sterowania nadrz dnego

Urz dzenia

wykonawcze

ci głe

Urz dzenia

wykonawcze

dwupoło eniowe

Warstwa sterowania

logicznego nap dów

Warstwa sterowania bezpo redniego

Warstwa regulacji

bezpo redniej

Rodzaje sterowania

Podstawowe sposoby sterowania:

sterowanie w układzie otwartym (regulacja r czna)

sterowanie w układzie zamkni tym (regulacja automatyczna)

Zadanie

sterowania

Układ

sterowania

Obiekt

sterowania

Zadanie

sterowania

Regulator

Obiekt

sterowania

Człowiek

Porównanie sterowania z regulacj

Sterowanie:

Otwarty ła cuch działa

Obiekt musi by

dokładnie znany
Nie mo e reagowa na

zakłócenia
Nie ma porównywania

sygnału zadanego z

rzeczywistym

Nie s potrzebne

sensory
Stabilno obiektu nie

ulega zmianie

Regulacja:

Zamkni ty ła cuch działa

Obiekt nie musi by

dokładnie znany (odporno

na zmiany parametrów)
Mo na wyregulowa

zakłócenia (kompensacja

zakłóce )
Jest porównywanie sygnału

zadanego z rzeczywistym

Niezb dne s sensory
Zamkni ty obwód regulacji

mo e by niestabilny

Zakłócenia w pracy systemu automatyki

Zakłócenia

Zakłócenia w pracy systemu automatyki s

spowodowane przez:
zmiany fizycznych zmiennych procesowych,
gwałtowne zmiany struktury procesu w wyniku awarii

maszyn i urz dze ,
zmiany parametrów aparatury w wyniku starzenia si ,
zmiany wła ciwo ci i poda y surowców i materiałów,
zmiany zada produkcyjnych wynikaj cych ze zmiany

wielko ci lub rodzaju produkcji,
zmiany parametrów ekonomicznych (ceny produktów,

koszty surowców, materiałów i energii),
zmiany popytu na produkty.

Klasyfikacja układów sterowania - liniowo

Kryteria klasyfikacji układów sterowania:

Kryteria klasyfikacji układów sterowania:
1) liniowo ,
2) sposób przekazywania informacji w układzie,
3) liczba wielko ci regulowanych,
4) sposób wyra enia zadania sterowania,
5) rodzaj aparatury steruj cej.

Ad 1.

Ad 1. Ze wzgl du na kryterium liniowo ci układy sterowania dzieli si na liniowe i nieliniowe.
Układy liniowe zawieraj wył cznie elementy liniowe, tzn. takie, których charakterystyki statyczne s liniami

prostymi, za własno ci dynamiczne opisuj liniowe równania ró niczkowe zwyczajne, całkowe, ró nicowe lub

algebraiczne. Układy liniowe spełniaj zasad superpozycji, co oznacza, e w przypadku zło onych wymusze

analiza układu mo e by przeprowadzona oddzielnie dla ka dego z nich, a ko cowy wynik mo na uzyska na

drodze superpozycji wyników cz stkowych. W praktyce wi kszo elementów nie spełnia wymogów liniowo ci,

lecz je li elementy pracuj w w skim zakresie zmian (wokół pewnego punktu pracy), to charakterystyki tych

elementów mo na traktowa jako prostoliniowe w otoczeniu punktu pracy.
Układy nieliniowe to takie, które zawieraj co najmniej jeden element nieliniowy. Do analizy układów

nieliniowych stosuje si metody pozwalaj ce uwzgl dni ró ne rodzaje wyst puj cych nieliniowo ci. Dokładne

metody analizy s bardzo zło one i dlatego najcz ciej stosuje si metody przybli one. Zagadnienie to

wymagałoby szerszego omówienia (zainteresowanych odsyłamy do podr czników z zakresu teorii sterowania).

Cz sto dokonuje si linearyzacji charakterystyk w otoczeniu punktu pracy zakładaj c pewne uproszczenia i

licz c si z niedokładno ci takiej analizy. Takie uproszczenie opisu układów nie zawsze jest jednak mo liwe i

mo e prowadzi do znacznych bł dów.

Klasyfikacja układów sterowania c.d.

Ad 2.

Ad 2. Przekazywanie informacji (sygnałów) w układach sterowania jest mo liwe

w sposób ci gły lub dyskretny.
W przypadku ci głych układów sterowania wszystkie sygnały s opisane

funkcjami ci głymi w czasie oraz funkcje te mog przyjmowa wszystkie warto ci

mieszcz ce si w przedziale ich zmienno ci. Natomiast dyskretne układy

sterowania maj przynajmniej jeden element działaj cy w sposób dyskretny, tzn.

e sygnały na wyj ciu tego elementu mog przyjmowa tylko niektóre wybrane

warto ci (opisane np. funkcj schodkow ) lub sygnały wyst puj w okre lonych

momentach czasu. W tym ostatnim przypadku mamy do czynienia z tzw.

układami impulsowymi.

Ad 3.

Ad 3. Je eli w układzie sterowania wyst puje tylko jedna wielko regulowana, to

mówimy o układzie jednowymiarowym; a je li wi cej, to mówimy o układzie

wielowymiarowym. Niekiedy wielowymiarowy układ sterowania udaje si

rozdzieli na kilka układów jednowymiarowych, szczególnie wówczas, gdy

wzajemny wpływ poszczególnych wielko ci regulowanych jest znikomy. Gdy

wzajemnego wpływu wielko ci regulowanych na siebie nie da si pomin , to

dokonujemy analizy układu za pomoc metod sterowania wielowymiarowego,

których stosowanie jest o wiele trudniejsze i z reguły mniej efektywne.

Ad 4.

Ad 4. Zadanie sterowania mo e by wyra one przez charakter sygnału

zadanego lub przez pewne wymagania co do struktury układu.

Funkcje systemu SCADA

Funkcje systemu SCADA (ang.

Supervisory Control and Data Acqusition)

• komunikacja ze sterownikami, regulatorami mikroprocesorowymi,

koncentratorami danych,

• przetwarzanie zmiennych procesowych (obliczenia zmiennych

niemierzalnych, bilansów, wska ników statystycznych i syntetycznych),

• oddziaływanie na proces, np. sterowanie r czne z konsoli operatorskiej,

zmiana warto ci zadanych i parametrów algorytmów regulacji, czasem

tak e sterowanie bezpo rednie w układzie zamkni tym (regulacja) i

otwartym (sterowanie binarne, procedury awaryjne),

• kontrola procesu - sygnalizacja alarmów i raportowanie,
• archiwizacja danych,
• wizualizacja graficzna przebiegu procesu na schematach synoptycznych i

wykresach,

• wymiana danych z innymi systemami oraz bazami danych,
• funkcje „in ynierskie” pozwalaj ce na dokonywanie zmian w bie cej

konfiguracji systemu (modyfikacje obrazów i algorytmów),

• kontrola dost pu do systemu poprzez hierarchi uprawnie .

Zadania systemów SCADA

Automatyzacja - wymagania

Pod poj ciem

automatyzacji

rozumie si proces

wprowadzania zasad i metod

automatyki i sterowania do

okre lonej dziedziny

działalno ci człowieka.

Wska niki jako ci:

Niezawodno :

przewidywalne i poprawne działanie systemu w ka dej chwili

Wydajno :

wysoka wydajno systemu w obszarze pracy

Elastyczno :

działanie w warunkach zmiany parametrów pracy

Dyspozycyjno :

minimalne czasy awarii systemu

Bezpiecze stwo:

brak szkód dla ludzi i rodowiska podczas pracy

Odporno :

zdolno do działania przy zmianie parametrów otoczenia

Zdolno dopasowania:

Zdolno dopasowania: systemu do zmieniaj cych si wymaga pracy

Sygnał jest to dowolna wielko fizyczna nios ca

informacj

informacj (no nik informacji).

Podziały sygnałów:

elektryczne, hydrauliczne, pneumatyczne,

deterministyczne (daj si opisa ci le okre lon zale no ci

matematyczn , s powtarzalne): harmoniczne,

poliharmoniczne, prawie okresowe i przej ciowe,

stochastyczne (losowe) opisuje si :

- parametrami rozkładu zmiennej losowej (warto

redniokwadratowa – warto rednia

= wariancja, mediany

itd.),

- funkcjami w dziedzinie amplitud - dystrybuanta, rozkład

prawdopodobie stwa amplitud,

- w dziedzinie czasu – korelacja,

- w dziedzinie cz stotliwo ci – g sto widmowa mocy,

niemodulowane i modulowane,

ci głe i dyskretne (w tym cyfrowe).

Sygnały

Typy sygnałów

Sygnał

ci gły

Sygnał

dyskretny,

stały czas

próbko-

wania

Sygnał

impulso-

Sygnał analogowy

Sygnał kwantowany

Sygnał binarny

Typ

sygnału

Typ sygnału w amplitudzie

Stała amplituda, sygnał

typu zał cz-wył cz

Elementem automatyki

(lub

członem

) nazywa si dowolny

zespół, przyrz d czy urz dzenie wyst puj ce w układzie

automatyki, spełniaj cy proste funkcje, w którym mo na

wyró ni sygnał wej ciowy i wyj ciowy (np.: czujnik, silnik,

wzmacniacz, itp.).

Podstawowe poj cia

–

układy ci głe

Charakterystyki członów automatyki

x(t)

y(t)

x(t) – sygnał wej ciowy

y(t) – sygnał wyj ciowy

Człon automatyki

Własno ci członu automatyki mog by opisane w dziedzinie czasu

t za

pomoc równania ró niczkowego lub ró nicowego okre laj cego zale no

sygnału wyj ciowego y(t) od wej ciowego x(t), np.:

⋅⋅⋅⋅

y(t) + y(t) = k

⋅⋅⋅⋅

x(t)

Natomiast w praktyce własno ci członów i układów automatyki s

opisywane za pomoc

transmitancji operatorowej G(s)

transmitancji operatorowej G(s) lub

widmowej G(j

)

X(s)

Y(s)

Człon automatyki

G(s)

X(s) – transformata

sygnału wej ciowego

Y(s) – transformata

sygnału wyj ciowego
s- operator Laplace’a

⋅⋅⋅⋅

Y(s) s + Y(s) = k X(s),

Dla powy szego równania

ró niczkowego

otrzymujemy nast puj ce

równanie operatorowe:

G(s) =

Y(s)

X(s)

Y(s)

G(s) = =

X(s) T s + 1

Transmitancja

operatorowa:

Charakterystyki członów automatyki

Opis własno ci członów automatyki obejmuje:

Charakterystyk statyczn

Charakterystyk statyczn , która okre la zale no sygnału wyj ciowego

od wej ciowego w stanie ustalonym (stany sygnałów nie zmieniaj si ).

y = f(x)

Charakterystyki dynamiczne

Charakterystyki dynamiczne, które okre laj przebieg sygnału

wyj ciowego w stanach przej ciowych, tzn. przy zmianach sygnałów.

W ród charakterystyk dynamicznych wyró nia si

charakterystyki w

dziedzinie czasu

dziedzinie czasu (np. charakterystyka skokowa) oraz

charakterystyki w

dziedzinie cz stotliwo ci

dziedzinie cz stotliwo ci (charakterystyka amplitudowo-

cz stotliwo ciowa, charakterystyka fazowo-cz stotliwo ciowa oraz

charakterystyka zespolona).

Charakterystyka skokowa okre la przebieg sygnału wyj ciowego y(t) z

członu po wymuszeniu sygnałem skokowym x(t).

x, y

x(t)

y(t)

x, y

1(t)

y(t)

Szczególnym przypadkiem charakterystyki skokowej jest odpowied członu

na wymuszenie skokiem jednostkowym 1(t).

Charakterystyka skokowa

Charakterystyki cz stotliwo ciowe

Charakterystyki cz stotliwo ciowe okre laj zachowanie członu na

wymuszenie sygnałem harmonicznym (sinusoidalnym).

x(t) = A

sin (

y(t) = A

sin (

t +

ϕϕϕϕ

)

G(j

)

Modu

)

(

) /

(

)

Argument:

ϕϕϕϕ

(

)

) – k t przesuni cia

fazowego

ϕϕϕϕ

(

)

(

)

(

)

= 2

- pulsacja kołowa [rad/s]

f – cz stotliwo

[Hz]

(

) – amplituda sygnału

wej ciowego

(

) – amplituda sygnału

wyj ciowego

Charakterystyki cz stotliwo ciowe

Charakterystyka

amplitudowo

fazowa

(zespolona

charakterystyka

cz stotliwo ciowa)

Charakterystyka amplitudowo

cz stotliwo ciowa

)

j Q(

)

ϕϕϕϕ

(

)

(

)

∞

Charakterystyka fazowo

cz stotliwo ciowa

ϕϕϕϕ

(

)

-90

-180

ϕϕϕϕ

(

)

(

)

G(j

) = P(

) + jQ(

)

G(j

) = M(

) e

ϕϕϕϕ

(

ωω

)



G(j

)



√√√√

)

+ Q(

)

ϕϕϕϕ

(

)

= arctg -------

)

Logarytmiczne charakterystyki

cz stotliwo ciowe (wykresy Bode’go)

Cz stotliwo f [Hz]

-2

-1

-90

-45

ϕϕϕϕ

]

-10

-20

-30
-40

) [dB] = 20 log M(

)

Podstawowe człony automatyki – człon proporcjonalny

x(t)

y(t)

Równanie ró niczkowe:

y(t) = k

x(t)

k – współczynnik wzmocnienia

Równanie operatorowe:

Y(s) = k X(s)

Charakterystyka skokowa

Charakterystyka amplitudowo-cz stotliwo ciowa

[rad/s]

)

Charakterystyka fazowo-cz stotliwo ciowa

ϕϕϕϕ

(

)

Przykłady:

Przykłady: d wignia

dwuramienna, wzmacniacz

x(t)

y(t)

x, y

Transmitancja operatorowa:

G(s) = k

Charakterystyka

amplitudowo-fazowa

[rad/s]

Im[G(j

)]

Re[G(j

)]

= 0

∞

)

Podstawowe człony automatyki – człon inercyjny (1-go rz du)

Równanie ró niczkowe:

T y(t) + y(t) = k x(t)

k – współczynnik wzmocnienia

T – stała czasowa

Równanie operatorowe:

T Y(s) s + Y(s) = k X(s)

Charakterystyka skokowa

Charakterystyka amplitudowo-cz stotliwo ciowa

Charakterystyka fazowo-cz stotliwo ciowa

Przykłady: wiruj ce zespoły,

układy grzejne

x, y

Transmitancja operatorowa:

G(s) =

---------

Charakterystyka

amplitudowo-fazowa

x(t)

y(t)

T s + 1

y(t) = k x(t) (1- e ) = y

(1- e

)

---

Dla t =T y(t) = 0,632 y

x(t)

y(t)

- --

[rad/s]

)

ϕϕϕϕ

(

)

-90

[rad/s]

Im[G(j

)]

Re[G(j

)]

= 0

∞

)

Podstawowe człony automatyki – człon całkuj cy idealny

Równanie:

y(t)

= k

x(t)

k – współczynnik wzmocnienia

Równanie operatorowe:

Y(s) s = k X(s)

Charakterystyka skokowa

Charakterystyka amplitudowo-cz stotliwo ciowa

[rad/s]

Charakterystyka fazowo-cz stotliwo ciowa

Przykłady: kondensator

(idealny), zbiornik z dopływem

cieczy

x, y

Transmitancja operatorowa:

G(s) =

---

Charakterystyka

amplitudowo-fazowa

x(t)

y(t)

x(t)

y(t)

)

[dB]

ϕϕϕϕ

(

)

-90

Im[G(j

)]

Re[G(j

)]

= 0

∞

)

-20dB/dekad

[rad/s]

100

Podstawowe człony automatyki – człon całkuj cy rzeczywisty

Równanie:

y(t)

+ y(t) = k

x(t)

k – współczynnik wzmocnienia

T – stała czasowa

Charakterystyka skokowa

Charakterystyki cz stotliwo ciowe

Przykłady: silnik elektryczny,

siłownik hydrauliczny

x, y

Transmitancja operatorowa:

G(s) =

--------------

x(t)

y(t)

s (1 + T s)

x(t)

y(t)

-3

-2

-1

ωω

[rad/s]

100

120

140

160

180

100

80
60

ωω

) [dB]

ϕϕϕϕ

(

ωω

) [deg]

Podstawowe człony automatyki – człon ró niczkuj cy idealny

Równanie:

y(t)

= k x(t)

k – współczynnik wzmocnienia

Charakterystyka skokowa

Charakterystyka amplitudowo-cz stotliwo ciowa

[rad/s]

Charakterystyka fazowo-cz stotliwo ciowa

Przykłady: idealna spr yna,

pr dnica

techometryczna

bez

strat

Transmitancja operatorowa:

G(s) = k s

Charakterystyka

amplitudowo-fazowa

x(t)

y(t)

)

[dB]

[rad/s]

ϕϕϕϕ

(

)

+90

Im[G(j

)]

Re[G(j

)]

= 0

∞

)

Równanie operatorowe:

Y(s) = k X(s) s

x, y

x(t)

y(t)

∞

+20dB/dekad

-3

-2

-1

Podstawowe człony automatyki – człon ró niczkuj cy

rzeczywisty

Równanie:

y(t)

+ y(t) = k x(t)

k – współczynnik wzmocnienia

T – stała czasowa

Charakterystyka skokowa

Charakterystyki cz stotliwo ciowe

Przykłady:

Przykłady: układy elektryczne

zawieraj ce rezystory, kondensatory i

cewki, spr yna, pr dnice i silniki,

transformatory

x, y

Transmitancja operatorowa:

G(s) =

-----------

x(t)

y(t)

x(t)

y(t)

Równanie operatorowe:

T Y(s) s + Y(s) = k X(s) s

k s

1 + T s

k/T

0,632 k/T

-20

-40

100

-3

-2

-1

ωω

[rad/s]

ωω

) [dB]

ϕϕϕϕ

(

ωω

)

[deg]

Podstawowe człony automatyki – człon oscylacyjny

Równanie:

y(t)

+ 2

ξξξξ

y(t) + y(t) =

(t)

k – współczynnik wzmocnienia

T – stała czasowa

ξξξξ

– współczynnik tłumienia

Charakterystyka skokowa:
k=2 , T=1,

ξξξξ

=5 ; 1 ; i 0,2

Charakterystyki cz stotliwo ciowe

Przykłady:

człony gromadz ce energi

- układy

elektryczne zawieraj ce rezystory, kondensatory i cewki,

spr yna, pr dnice i silniki, transformatory, tłumik

olejowy.

Transmitancja operatorowa:

G(s) =

--------------------------

Równanie operatorowe:

Y(s) s

+ 2

ξξξξ

Y(s) s = k X(s)

+ 2

ξξξξ

T s + 1

x(t)

y(t)

0 10 20 30 40 50 60 70 t [ s]

0,5

1,5

2,5

-3

-2

-1

ωω

[rad/s]

100

150

ωω

) [dB}

ϕϕϕϕ

(

ωω

) [deg

]

135

180

ξξξξ

Charakterystyka

amplitudowo-fazowa

x = F (siła)

y = L (przesuni cie)

Im[G(j

)]

Re[G(j

)]

= 0

∞

)

Podstawowe człony automatyki – człon opó niaj cy

Równanie:

y(t) = k x(t

)

k – współczynnik wzmocnienia

– opó nienie

Charakterystyka skokowa

Charakterystyka amplitudowo-cz stotliwo ciowa

[rad/s]

Charakterystyka fazowo-cz stotliwo ciowa

Przykłady:

ta moci g, ruroci g

x, y

Transmitancja operatorowa:

G(s) = k e

Charakterystyka

amplitudowo-fazowa

x(t)

y(t)

)

- s t

x(t)

y(t)

[rad/s]

ϕϕϕϕ

(

)

360

Im[G(j

)]

Re[G(j

)]

= 0

∞

)

Ł czenie elementów automatyki

Elementy automatyki s ze sob ł czone w układy. Rozró nia si trzy podstawowe

sposoby poł cze elementów:
szeregowe,
równoległe,
ze sprz eniem zwrotnym.

Poł czenie szeregowe

(s)

G(s) = ?

X(s)

Y(s)

Z(s)

G(s) – transmitancja zast pcza układu

G(s) = ------ = = = G

(s) G

(s)

Y(s)
X(s)

Z(s) G

(s)

X(s)

X(s) G

(s) G

(s)

X(s)

Transmitancja zast pcza szeregowego poł czenia elementów jest równa

iloczynowi transmitancji poszczególnych elementów.

G(s) = G

(s) G

(s)

Poł czenie równoległe

G(s) – transmitancja zast pcza układu

G(s) = ------ = = = G

(s) + G

(s)

Y(s)
X(s)

X(s) G

(s) + X(s) G

(s)

X(s)

Transmitancja zast pcza równoległego poł czenia elementów jest równa

sumie transmitancji poszczególnych elementów składowych.

G(s) = G

(s) + G

(s)

(s) = ?

X(s)

Y(s)

(s)

(s) + Y

(s)

X(s)

Poł czenie równoległe elementów automatyki

Poł czenie z ujemnym sprz eniem zwrotnym

G(s) – transmitancja zast pcza układu

(s)

G(s) = ?

X(s)

Y(s)

Z(s)

G(s) = ------ =

Y(s)
X(s)

(s)

1 + G

(s) G

(s)

Poł czenie ze sprz eniem zwrotnym elementów automatyki

W(s)

Równanie w zła sumacyjnego: Z(s) = X(s) – W(s) = X(s) – Y(s) G

(s)

Y(s) = Z(s) G

(s) = [X(s) – Y(s) G

(s)] G

(s) = X(s) G

(s) – Y(s) G

(s) G

(s);

X(s) G

(s) = Y(s) + Y(s) G

(s) G

(s) = Y(s) [1+ G

(s) G

(s)]

Ujemne sprz enie

zwrotne

Dodatnie sprz enie

zwrotne

G(s) = ------ =

Y(s)
X(s)

(s)

1 - G

(s) G

(s)

P tla

sprz enia

zwrotnego

Przykłady ł czenia elementów

(s) = ---

X(s)

Y(s)

(s) = 1

G(s) = ?

G(s) = = =

Poł czenie z ujemnym sprz eniem zwrotnym

(s)

1+ G

(s) G

(s)

1+ 1

1+ s

Transmitancja zast pcza układu składaj cego si z elementu całkuj cego

obj tego ujemnym sprz eniem zwrotnym odpowiada charakterystyce członu

inercyjnego.

Przykład ł czenia elementów automatyki

Rodzaje układów sterowania

Sterownik

Obiekt

Otwarty układ sterowania

w(t)

x(t)

y(t)

w(t) – wielko  zadana
x(t) – wielko  nastawiaj ca
y(t) – wielko  sterowana

Zamkni ty układ sterowania (układ regulacji)

Obiekt

Regulator

x(t)

w(t)

e(t)

y(t)

z(t)

w(t) – wielko zadana

e(t) = w(t) – y(t) - uchyb regulacji

x(t) – wielko nastawiaj ca

y(t) – wielko regulowana

z(t) – zakłócenia

Zadaniem regulatora jest:
• mo liwie wierne odtwarzanie wielko ci zadanej na

wyj ciu obiektu,

• mo liwie jak najbardziej skuteczne

przeciwdziałanie wpływowi sygnału zakłócenia na

wielko regulowan (wyj ciow obiektu).

Stabilizacja procesu

regulacja

Uzyskiwanie zadanych przebiegów:

sterowania logicznego,
sterowania programowego w czasie.

Główny obszar

zastosowania

Problemy dynamiczne w

zamkni tym obwodzie

działania

Du e nakłady na strategi sterowania,

wra liwo na zmiany procesu

Szczególne

problemy

Wzgl dnie proste i odporne

strategie sterowania, działanie

na zbiorcze wielko ci

zakłócaj ce

Szybkie działanie na zmierzone

zakłócenia, zanim wpłyn one na

wielko sterowan

Szczególne zalety

Zapewnienie odporno ci bez

wi kszych trudno ci

Wra liwo na zmiany w przebiegu

procesu

Odporno strategii

sterowania

Zgrubna znajomo

statycznego i dynamicznego

przebiegu procesu

Dokładna znajomo przebiegu

wielko ci zadanej oraz statycznego i

dynamicznego przebiegu procesu

Warunki dla

okre lenia strategii

sterowania

Mierzalna wielko

regulowana

Okre lona strategia sterowania,

wielko zakłócaj ca mierzalna

Warunki

zastosowania

zmianach wielko ci

regulowanej

zapami tanym w sterowniku przebiegu

wielko ci zadanej i zmianach

spowodowanych zakłóceniami

Podstawowa

zasada:

działanie steruj ce

opiera si na

Sterowanie w układzie

zamkni tym

Sterowanie w układzie otwartym

Cecha

Porównanie otwartego i zamkni tego układu sterowania

Układ regulacji

Regulator

Regulator jest urz dzeniem, którego zadaniem jest:
– porównanie zmierzonej wielko ci regulowanej

z wielko ci zadan

i okre lenie wielko ci uchybu (bł du) regulacji

e = w - y

– w zale no ci od odchyłki regulacji, czasu jej trwania oraz szybko ci

zmian wytworzenie sygnału wyj ciowego zwanego sygnałem

steruj cym x o takiej warto ci, aby bł d regulacji miał dostatecznie

mał warto ,

– takie kształtowanie własno ci dynamicznych układu regulacji, aby

układ był stabilny oraz zapewniał wymagan jako regulacji.

Regulator

Urz dzenia

wykonawcze

Obiekt

regulacji

Urz dzenie

pomiarowe

Wymagania dotycz ce układów regulacji

Odporno

Dokładno

Szybko

Stabilno

Wska niki jako ci regulacji wynikaj ce z charakterystyki

czasowej

Najprostszy sposób oceny przebiegu regulacji opiera si na analizie

wybranych wska ników charakterystyki czasowej zamkni tego układu

regulacji. W układach regulacji stabilizacyjnej ocenia si

charakterystyk uchybu (odchyłki) regulacji e(t) otrzyman dla

skokowej zmiany zakłócenia z(t) = 1(t), a w układach regulacji

nad nej ocenia si charakterystyk odchyłki regulacji e(t) otrzyman

dla liniowej zmiany warto ci zadanej w(t) = 1(t) t.
Charakterystyk czasow zamkni tego układu regulacji charakteryzuj

nast puj ce wska niki:

- maksymalna odchyłka regulacji e

max

- odchyłka statyczna e

stat

- czas regulacji t

- przeregulowanie

κκκκ

= 100 e

[%].

Odchyłka maksymalna e

max

decyduje o bezpiecze stwie obiektu

regulacji. I tak np. maksymalna temperatura, ci nienie, pr dko

obrotowa nie mo e przekroczy warto ci dopuszczalnej.

Czas regulacji t

okre la czas trwania procesu przej ciowego liczony

od chwili wprowadzenia zakłócenia do osi gni cia stabilizacji wielko ci

regulowanej w granicach przyj tej tolerancji. Przeregulowanie

κκκκ

zdefiniowane jako iloraz s siednich amplitud oscylacyjnego przebiegu

regulacji jest miar szybko ci tłumienia oscylacji wielko ci regulowanej.

Odchyłka statyczna e

stat

okre la warto odchyłki regulacji w stanie

ustalonym osi gni tym po czasie t

z(t) = 1(t)

max

stat

= 0

w = 0

stat

= 0

max

= e

max

stat

Własno ci układów regulacji i regulatory

Od układów regulacji wymaga si mo liwie dokładnego utrzymywania wielko ci

regulowanej na zadanym poziomie. Dlatego te układ regulacji powinien si

odznacza mo liwie mał warto ci uchybu w stanie ustalonym (po zaniku

procesu przej ciowego). Ponadto istotny jest tak e czas regulacji, tzn. czas w

którym wielko regulowana po wyst pieniu zakłócenia osi ga poziom

wielko ci zadanej. W ocenie jako ci regulacji i doborze nastaw regulatorów

stosowane s tak e kryteria całkowe, takie jak np. minimalizacja warto ci

wska ników:

IAE = |e(t)| dt ISE = e

(t) dt ITAE = |e(t)| t dt

W układach regulacji mog si tak e pojawia drgania (oscylacje). Dlatego te

istotnym wymaganiem jest zapewnienie stabilno ci układów regulacji.

Zadanie regulatora polega na wygenerowaniu odpowiedniego sygnału

steruj cego, aby obiekt regulowany w jak najkrótszym czasie osi gał warto

zadan . W zale no ci od typu obiektu i wymaga stawianych układom

regulacji stosowane s ró ne

rodzaje regulatorów

rodzaje regulatorów, takie jak:

proporcjonalne P,
proporcjonalno-całkuj ce PI,
proporcjonalno – ró niczkuj ce PD,
proporcjonalno-całkuj co-ró niczkuj ce PID.

Rodzaje regulatorów - P

Regulator proporcjonalny P

Regulator proporcjonalny P składa si z jednego członu P (proporcjonalnego),

którego transmitancj G

(s) okre la wzmocnienie K

(s) = K

Regulator P prowadzi do układów regulacji statycznej. Nadaje si on do

zastosowania dla obiektów prostych o redniej wielko ci inercji, niedu ym

opó nieniu i stałym obci eniu. Cz sto stanowi regulator pomocniczy.
Układy regulacji z regulatorem typu P odznaczaj si tym, e mo e w nich

wyst powa uchyb statyczny o małej warto ci, który nie jest eliminowany ze

wzgl du na nieczuło wyst puj c w układzie.
Sygnał wyj ciowy z regulatora P wynosi:

Obiekt

x(t)

w(t)

e(t)

y(t)

z(t)

(s) = K

x(t) = K

e(t)

Regulator

x(t) = K

[

e(t) + --- e(

ττττ

) d

ττττ

]

ττττ

Rodzaje regulatorów - PI

Regulator proporcjonalno

całkuj cy PI

Regulator proporcjonalno-całkuj cy PI składa si z członu P (proporcjonalnego) oraz członu

całkuj cego I, którego transmitancj G

(s) okre la wzmocnienie K

oraz czas zdwojenia T

(s) = K

(1+ 1/ T

Układy regulacji z regulatorem typu P odznaczaj si tym, e uchyb statyczny jest

eliminowany na skutek działania całkuj cego regulatora. W tym typie regulatora sygnał

wyj ciowy jest sum składowej proporcjonalnej do sygnału wej ciowego regulatora i

składowej proporcjonalnej do całki tego sygnału:

Obiekt

x(t)

w(t)

e(t)

y(t)

z(t)

(s) = K

(1 + 1/T

Regulator

x(t)

Odpowied członu

Regulator PI jest w stanie sprowadzi uchyb regulacji do zera (regulacja astatyczna). Zapewnia on dobr

regulacj zasadniczo przy zakłóceniach stosunkowo powolnych, o małych cz stotliwo ciach. Im jest

nastawione wi ksze wzmocnienie K

, oraz krótszy czas całkowania

, tym szybciej działa regulator lecz

jednocze nie bli szy jest granicy niestabilno ci. Stosuje si go do obiektów o dowolnej inercji nawet z

wi kszymi opó nieniami i znaczniejszymi, ale powolnymi zmianami obci enia.

Rodzaje regulatorów - PD

Regulator proporcjonalno

ró niczkuj cy PD

Regulator proporcjonalno-ró niczkuj cy PD składa si z członu P (proporcjonalnego) oraz członu

ró niczkuj cego D, którego transmitancj G

(s) okre laj wzmocnienie K

oraz czas wyprzedzenia T

(s) = K

(1 + T

Układy regulacji z regulatorem typu P odznaczaj si tym, e wyst puje szybka reakcja na dynamiczne

zmiany zakłóce i eliminowany jest uchyb statyczny e

stat

. W tym typie regulatora sygnał wyj ciowy jest

sum składowej proporcjonalnej do sygnału wej ciowego regulatora i składowej proporcjonalnej do

ró niczki tego sygnału:

de(t)

x(t) = K

[

e(t) + K

]

Obiekt

x(t)

w(t)

e(t)

y(t)

z(t)

(s) = K

(1 + K

Regulator

Regulator PD zapewnia dobr regulacj w zakresie szerszego pasma cz stotliwo ci zakłóce ni regulator

PI, ale nie jest w stanie sprowadzi do zera uchybu regulacji (regulacja statyczna). Człon ró niczkuj cy D

powoduje szybk reakcj regulatora w chwili pojawienia si zakłócenia. Podobnie jak regulator P,

regulator PD stosuje si jako regulator pomocniczy w zło onych układach regulacji.

Uwaga: Człon D, o

działaniu wył cznie ró niczkuj cym, nie mo e by wykorzystany jako samodzielny regulator, gdy nie ma

mo liwo ci oddziaływania na obiekt w stanie ustalonym.

x(t)

Odpowied członu P

Odpowied członu D

Odpowied

rzeczywistego

regulatora PD

Rodzaje regulatorów - PID

Regulator proporcjonalno

całkuj co

ró niczkuj cy PID

Regulator proporcjonalno-ró niczkuj cy PD składa si z członu P (proporcjonalnego), członu

całkuj cego I członu ró niczkuj cego D, którego transmitancj G

(s) okre laj wzmocnienie K

oraz

parametry T

i T

(s) = K

(1 + 1/T

s + T

Układy regulacji z regulatorem typu P odznaczaj si tym, e wyst puje szybka reakcja na dynamiczne

zmiany zakłóce , a mo e wyst powa uchyb statyczny e

stat

. W tym typie regulatora sygnał wyj ciowy

jest sum składowej proporcjonalnej do sygnału wej ciowego regulatora i składowej proporcjonalnej

do ró niczki tego sygnału:

de(t)

x(t) = K

[

e(t) + ----

ττττ

) d

ττττ

+ T

]

ττττ

Obiekt

x(t)

w(t)

e(t)

y(t)

z(t)

(s) = K

(1 + 1/T

s + T

Regulator

Regulator PID stosuje si do obiektów poddanych wpływom zakłóce o du ych i gwałtownych zmianach.

Ł czy on w sobie zalety regulatorów PI i PD. Umo liwia stosowanie krótszych czasów zdwojenia

regulator PI bez obawy powstania oscylacji w układzie zamkni tym, a wi c pr dzej likwiduje wpływ

zakłóce o warto ciach ustalonych. Dla obiektów o du ych opó nieniach (np. dla obiektów inercyjnych

wysokiego rz du) skuteczno działania regulatorów PI oraz PID s praktycznie takie same.

x(t)

Odpowied

rzeczywistego

regulatora PD

Dobór regulatora

Regulator

PID

, T

Usuni cie bł du statycznego odpowiedzi na skokowy sygnał

steruj cy lub zakłócaj cy, skrócenie czasu regulacji

Regulator

, T

Zmniejszenie bł du statycznego odpowiedzi na skokowy sygnał

steruj cy lub zakłócaj cy, skrócenie czasu regulacji

Regulator

, T

Usuni cie bł du statycznego odpowiedzi na skokowy sygnał

steruj cy lub zakłócaj cy, wydłu enie czasu regulacji

Regulator

Zmniejszenie bł du statycznego odpowiedzi na skokowy sygnał

steruj cy lub zakłócaj cy

Typ regulatora

Przewidywany skutek działania układu regulacji

L.p.

Mała zmiana

Zmniejszenie

Mała zmiana

Składowa

Eliminacja

Zwi kszenie

Zmniejszenie

Składowa

Zmniejszenie

Mała zmiana

Zwi kszenie

Zmniejszenie

Składowa

Uchyb w stanie

ustalonym

Czas ustalania

Przeregulowanie

Czas narastania

Wpływ poszczególnych składników regulatora na przebieg regulacji

Regulator PI zapewnia dobr jako regulacji tylko przy zakłóceniach o małych

cz stotliwo ciach. Natomiast regulator PD zapewnia szersze pasmo regulacji ni

regulator PI, ale z gorsz jako ci regulacji przy małych cz stotliwo ciach.

Realizacje techniczne regulatorów

W zale no ci od sposobu realizacji regulator mo e mie posta

podzespo

u elektronicznego zbudowanego z zastosowaniem

wzmacniaczy operacyjnych lub te

stanowi

procedur

w programie

steruj

cym mikrokontrolera

(

mikrosterownika

)

). W ka dym z tych

przypadków regulator jest wyodr bniony jako blok funkcjonalny, opisany

transmitancj i charakteryzuj cy si odpowiednio dobranymi

nastawami

nastawami.

Regulatory ci

e (analogowe) s stosowane w coraz mniejszym

zakresie, jednak w przypadku przekształtników pracuj cych z du

cz stotliwo ci ł cze nie mog by one zast pione przez regulatory

dyskretne (cyfrowe)

dyskretne (cyfrowe).
Specjalna grupa regulatorów powszechnie stosowanych w urz dzeniach

energoelektronicznych to

regulatory nieliniowe typu dwustanowego

regulatory nieliniowe typu dwustanowego.

Nowoczesne metody sterowania umo liwiaj wprowadzenie do układów

sterowania bloków charakteryzuj cych si zdolno ciami podobnymi do

rozumu ludzkiego. S to

regulator

z elementami sztucznej inteligencji.

Dwie z metod sztucznej inteligencji znalaz

y w ostatnich czasach

szczególne zastosowanie –

sieci neuronowe i uk

ady logiki rozmytej

ady logiki rozmytej.

Główn zalet tych regulatorów jest niewielka wra liwo

na zmiany

parametrów uk

adów i odporno

na zakłócenia.

Regulacja dwustanowa

Grzałka

Strumie ciepła

Pasek bimetaliczny

Materiał izolacyjny

Styk

w(t)

e(t)

x(t)

y(t)

Przebieg regulacji dwustanowej

Zale no napi cia zasilania grzałki U

od temperatury

θθθθ

w układzie regulacji

dwustanowej

Wył czenie zasilania nast puje przy

temperaturze czujnika równej
temperaturze zadanej

θθθθ

, natomiast

wł czenie zasilania nast pi przy
temperaturze wł czenia

θθθθ

Wielko h nazywa si stref histerezy
regulatora, h =

θθθθ

Układy logiczne dzieli si na układy kombinacyjne i sekwencyjne.
Układy

logiczne kombinacyjne

logiczne kombinacyjne to takie układy, w których stan wyj zale y tylko od

aktualnego stanu sygnałów na wej ciach.
Natomiast w układach

logicznych sekwencyjnych

logicznych sekwencyjnych sygnały wyj ciowe zale nie tylko od

stanu sygnałów na wej ciach, lecz tak e od stanów wewn trznych układu, tzn. jego

„historii”.
Najprostszymi układami logicznymi kombinacyjnymi s bramki logiczne, tzw. funktory.

Natomiast podstawowymi układami logicznymi sekwencyjnymi s przerzutniki. W opisie

układów logicznych korzysta si z algebry logiki, zwanej te algebr Boole’a. W algebrze

logiki dowolne zmienne (sygnały) mog przyjmowa tylko dwa stany: „tak” lub „nie” maj ce

warto ci: „1” lub „0”, czyli s to sygnały binarne (dwustanowe). Funkcj jednej lub wielu

zmiennych binarnych nazywa si funkcj przeł czaj c . Trzy podstawowe funkcje

przeł czaj ce w algebrze Boole’a to: przeczenie (negacja)

NIE

NIE (NOT), iloczyn logiczny

(koniunkcja)

I (AND) oraz suma logiczna (alternatywa)

LUB

LUB (OR). Wła ciwo ci funkcji

logicznych s zdefiniowane za pomoc tablicy stanów (prawdy).

Układy logiczne (przeł czaj ce)

a – negacja („

NIE

NIE” –

NOT

NOT)

b a – iloczyn logiczny („

I” –

AND

AND)

b a – iloczyn logiczny zanegowany („

NIE I

NIE I” –

NAND

NAND)

b + a – suma logiczna („

LUB

LUB” -

OR)

b + a – suma logiczna zanegowana („

NIE LUB

NIE LUB” –

NOR

NOR)

a b – suma logiczna wykluczaj ca („

ALBO

ALBO” –

EXOR

EXOR).

Wej cia

Wyj cia

Symbole bramek logicznych

NOT

AND

NAND

NOR

XOR

Działania logiczne - mno enie

Istnieje trzy podstawowe działania logiczne: I (AND), LUB (OR) i NIE (N..). Działania

zło one, które s najcz ciej stosowane w praktyce, s oparte na tych trzech działaniach

podstawowych. Podstaw matematyczn działa logicznych tworzy algebra Boole’a.

Działanie logiczne I (AND)

mno enie

Przykład: Lampka powinna si wieci tylko wtedy, gdy s zamkni te oba styki S1 i S2.

Zadanie to mo na rozwi za przez kolejne zamkni cie obu styków. Tabela stanów zawiera

wszystkie mo liwe stany styków i wynikaj cy z nich stan lampki. Tabele takie nazywaj si

tabelami stanu lub tabelami warto ci. Na rysunku pokazano tak e znormalizowany symbol

ogólnego działania I z dwoma wej ciami. Oczywi cie mo liwe s tak e działania I (AND) z

wi ksz liczb wej .

Lampka

Elektryczna realizacja działania

Zał czona

Zamkni ty

Wył czona

Otwarty

Zamkni ty

Wył czona

Zamkni ty

Otwarty

Wył czona

Otwarty

Lampka L

Symbol działania

Tabela

stanów

Tabela

warto ci

Przykład zastosowania logicznego mno enia

Sterowanie pras

–

działanie i (AND)

Ze wzgl dów bezpiecze stwa prasa mo e by tylko wtedy uruchomiona, je eli

operator równocze nie wci nie dwa przyciski (S1 i S2) na pulpicie – obsługa

dwur czna.

Bramka

Wzmacniacz

Siłownik

Zawór drogowy

(elektromagnetyczny)

Stempel

Urz dzenia wykonawcze (aktuatory)

Sensory

Urz dzenia

przetwarzania

Logiczne LUB (OR)

–

dodawanie

Działanie LUB dostarcza na wyj cie sygnał 1, je eli przynajmniej na jednym z

wej jest sygnał 1. W instalacji alarmowej powinien zosta wtedy uruchomiony

brz czyk B, gdy temperatura T1 przekroczy warto 100

C lub ci nienie P1

przekroczy warto 20 barów. Jako sensory zastosowane zostały dwa czujniki

graniczne (inicjatory) S1 i S2. Dzi ki równoległemu poł czeniu S1 i S2 realizowana

jest wymagana funkcja. Równie tutaj tabela stanów opisuje przebiegi zał czania.

Na rysunku pokazano tak e symbol działania LUB.

Brz czyk

Elektryczna realizacja działania

LUB

≥≥≥≥

Symbol działania

LUB

Zał czony

Zamkni ty

Zał czony

Otwarty

Zamkni ty

Zał czony

Zamkni ty

Otwarty

Wył czony

Otwarty

Brz czyk B

Tabela

stanów

Tabela

warto ci

Działania logiczne - dodawanie

Logiczne NIE (NOT)

negacja

W działaniu NIE wyst puje tylko jeden sygnał wej ciowy i jeden sygnał

wyj ciowy. Sygnał wyj ciowy ma warto 1 wówczas, gdy sygnał wej ciowy ma

warto 0. Natomiast sygnał wyj ciowy ma warto 0 wówczas, gdy sygnał

wej ciowy ma warto 1. Na rysunku pokazano przykład działania

NIE

NIE, tabel

stanów i symbol. Poniewa sygnał wyj ciowy ma zawsze stan przeciwny do

stanu sygnału wej ciowego, to działanie logiczne

NIE

NIE jest okre lane tak e jako

negacja.

Przycisk S (styk

rozwierny

)

Lampa L

Elektryczna realizacja działania

NIE

Wył czona

Wci ni ty

Zał czona

Nie wci ni ty

Lampa L

Tabela stanów

Tabela warto ci

Symbol działania

NIE

Działania logiczne NIE - negacja

Przykład zło onego działania logicznego

Zadanie:

Zadanie:
Stanowisko do wykrawania mo e by obsługiwane z trzech stron. Siłownik pneumatyczny

powoduje wykrawanie otworu w przedmiocie. Do okre lania pozycji przedmiotów s

wykorzystywane trzy indukcyjne czujniki zbli eniowe C1, C2 i C2. Proces wykrawania jest

uruchamiany tylko wtedy, gdy dwa z tych czujników zostały pobudzone, co oznacza, e

przedmiot został poprawnie ustawiony.

1 oznacza stan

wysuni ty

siłownika
0 oznacza stan

wsuni ty siłownika

1 oznacza, e czujnik

zbli eniowy został pobudzony
0 oznacza, e czujnik

zbli eniowy nie został

pobudzony

Wyj cie

Siłownik

Wej cia (czujniki zbli eniowe)

Najpierw jest zestawiana tabela warto ci

z sygnałami wej ciowymi C1, C2 i C3 oraz

sygnałem wyj ciowym „Siłownik”. Dla

trzech sygnałów wej ciowych istnieje 8

mo liwych kombinacji bitów (0/1). W

tabeli zamieszczono wszystkie

kombinacje i na tej podstawie okre lane

s te z nich, które s zgodne ze

sformułowanym zadaniem. Zaznaczane

s te wiersze dla których w kolumnie

„Siłownik” wyst puje stan 1. Je eli taka

tabela została sporz dzona, to jest ona

nast pnie zamieniana na schemat

logiczny (nast pny slajd). Mo e by wiele

sprz towych rozwi za . Cz

przetwarzaj ca sygnały jest zbudowana

wył cznie z członów logicznych.

Przykład zło onego działania logicznego c.d.

≤≤≤≤

LUB

Siłownik

Urz dzenia wykonawcze

(aktuatory)

Sensory

Urz dzenia przetwarzania

Równania Boole’a:
Działania logiczne mo na równie opisa za pomoc równa algebry Boole’a. Georg Boole

sformułował symboliczn logik , opart na zmiennych binarnych (dwustanowych).

Operatory dla podstawowych działa logicznych s nast puj ce:

Rozwi zanie zadania (poprzedni slajd)

Funkcja I (AND):

∧∧∧∧

Przykład: y = s1

∧∧∧∧

Funkcja LUB (OR):

∨∨∨∨

Przykład: y = s3

∨∨∨∨

Funkcja NIE:

−

Przykład: y = s1

Zatem zło ona zale no logiczna

mo e mie np. nast puj c posta :
y = C1

∧∧∧∧

∨∨∨∨

∧∧∧∧

∨∨∨∨

Algebra

Boole’a

i zastosowanie działa logicznych

Wa niejsze działania logiczne na dwóch zmiennych

Symbol

NAND

NOR

Eksk. LUB (EXOR)

LUB (OR)

I (AND)

Wyj cie Q

Wej cia

L.p.

≥≥≥≥

= 1

≥≥≥≥

Działania logiczne mog zawiera tak e wiele wej , a ich realizacja techniczna mo e

by ró na.

L –

Low (0), H – High (1)

Obwód ze stykami

Obwód bez styków

Y = B

∨∨∨∨

X = A

∨∨∨∨

Równanie: Q = X

∧∧∧∧

Y = (A

∨∨∨∨

∧∧∧∧

∨∨∨∨

≥≥≥≥

Y = B

∨∨∨∨

X = A

∨∨∨∨

Algebra

Bool’a

Zało enia algebry

Boole’a

A = H, wtedy A L
L H
L

∧∧∧∧

L = L

(AND)

∨∨∨∨

L = H

(OR)

Prawo De

Morgan’a

Działanie

NOR

NOR na dwóch zmiennych mo na zast pi działaniem

I (AND).

Wyra nie pokazuje to tabela.

≥≥≥≥

A
B

Q = A

∨∨∨∨

Q = A

∧∧∧∧

∨∨∨∨

C=AB

Podstawowe prawa algebry Boole’a

a + b = a

•

b = a + b

Prawa de

Morgana

a + (b

•

c) = (a+b) • (a+c)

a • (b+c) = (a • b) + (a • c)

Prawa

rozdzielno ci

a + (b+c) = (a + b) + c

a • (b • c) = (a • b) • c

Prawa

ł czno ci

a + b = b + a

a • b = b • a

Prawa

przemienno ci

a + 0 = a

•

0 = 0

a + 1 = 1

a • 1 = a

a + a = 1

a • a = 0

a + a = a

a • a = a

Prawa

to samo ciowe

Urz dzenia do sterowania cyfrowego

••

•••

••

•••

DCS

•••

••

•••

100

µµµµ

IPC

•••

••

•••

µµµµ

Sterowniki DSP

••

•••

100

µµµµ

Przemysłowe

komputery w

standardzie

VME

•

•••

1 – 10

µµµµ

Mikro-

sterowniki

••

•

••

100 ms

FPGA

••

•••

••

•••

5-20 ms

PLC

•

•••

50-200 ms

Sterowniki

jedno- i

wielofunkcyjne

Mo liwo ci

szybkiego

prototypo-

wania

Koszt

Zło one

algorytmy

sterowania

Konfigu-

rowalno

Jako i

pewno

działania

Cykl

minimalny

Cechy

Rozwi zanie

PLC (ang.

Programmabble Logical Controller)

FPGA (ang.

Field Programmable Gate Arrays)

DSP (ang.

Digital Signal Processor)

IPC (ang.

Industrial Personal Computer)

••• - wysokie, •• - rednie, • - niskie

DCS (ang.

Dezentralised Control System)

*) – w zale no ci od rodzaju sieci

W teorii sterowania rozró nia si

dwa zasadnicze rodzaje uk

adów

sterowania, a mianowicie:

sterowanie w

adzie otwartym

adzie otwartym, czyli bez informacji zwrotnej o

skutkach czynno ci sterowania oraz

sterowanie w

adzie zamkni

tym

tym czyli

regulacj

regulacj .

Sterowanie jest poj ciem szeroko stosowanym i dlatego te w zale no ci

od dyscypliny spotyka si ró ne jego definicje.

Sterowanie w odniesieniu do maszyn i urz

dze

jest rozumiane jako

kierowanie ich prac

przez wp

ywanie na przebieg pracy i wyst

puj

nich

parametry w celu zrealizowania zamierzonego dzia

ania

ania.

Sterowanie mo e by :

czne

czne, kiedy człowiek (operator) bezpo rednio kieruje prac maszyny,

automatyczne

automatyczne (bez udziału człowieka).

Podstawy sterowania – definicja i klasyfikacja

Klasyfikacja układów sterowania

Ze wzgl du na rodzaj informacji wykorzystywanej w sterowaniu.

Układy sterowania

Zwykłe

Adaptacyjne

Rozgrywaj ce

Otwarte

Kompensacji

Stabilizacji (regulacji

stałowarto ciowej)

Zamkni te

(regulacji)

Regulacji

programowej

Sterowania

programowego

Nad ne

( ledz ce)

Pod wzgl

dem funkcjonalnym mo

na wyr

nast

puj

ce rodzaje uk

w sterowania:

ady regulacji sta

owarto

ciowej

lub

stabilizuj

, które maj za zadanie utrzymywanie warto ci

wybranych parametrów na zadanym poziomie, np. stałej pr dko ci obrotowej, stałej temperatury,

sta

ego ci nienia, sta

ego poziomu cieczy w zbiorniku itp.,

ady nad

(

ledz

ce)

, które maj na celu zapewnienie zmian wielko ci regulowanej (np.

poło enia) zgodnie ze zmianami wielko ci przewodniej (steruj cej), przy czym przebieg czasowy tej

wielko ci nie jest z góry ustalony. Najwi ksz

rol

w maszynach wytwórczych odgrywaj

serwomechanizmy, czyli układy nad ne poło enia, np. układy kopiuj ce, nap dy posuwu itp.,

ady logiczne

kombinatoryczne

, w których sygnały wyj ciowe s zale ne od działa logicznych

na stanach sygnałów wej ciowych (wg algebry

Bool’a),

ady

logiczne

sekwencyjne

, których zadaniem jest realizacja przebiegu procesu wg okre lonej

kolejno ci (sekwencji), a istotn rol odgrywaj w nich zmiany sygnałów wej ciowych i pami ,

ady programowe

, w których wielko ci wyj ciowe s funkcjami czasu, drogi itp., np. regulacja

temperatury w piecu hartowniczym,

ady sterowania numerycznego

, s odmian układów programowych, w których informacje

dotycz ce przebiegu procesu wprowadzane s w postaci symbolicznej za pomoc umownych

znaków alfanumerycznych,

ady adaptacyjne

, s

natomiast rodzajem układów regulacji, które s stosowane dla obiektów

odznaczaj cych si

bardzo szerokim zakresem zmian własno ci, w przypadku których

konwencjonalne układy regulacji nie zapewniałyby wymaganej jako ci regulacji,

ady optymalizuj

ce (ekstremalne)

, k

tóre maj za zadanie takie sterowanie przebiegiem procesu,

aby zapewni uzyskiwanie ekstremalnej warto ci pewnej funkcji (funkcji celu), czyli tzw. wska nika

jako ci procesu.

Klasyfikacja funkcjonalna układów sterowania

Udział procesów ci głych i nieci głych w ró nych gał ziach

gospodarki (wg Siemens Energy & Automation)

W ca

ym obszarze przemysłu, od pot nej energetyki do wyrafinowanej

mikroelektroniki, wyst puj procesy ci głe i nieci głe (dyskretne). Ka dy zakład

produkcyjny umieszczony wewn trz tego obszaru potrzebuje automatyki z obu

najwa niejszych struktur:

rozproszonych uk

w sterowania DCS

w sterowania DCS (ang.

Dezentralised Control System) i

sterownik

w swobodnie programowalnych PLC

(ang.

Programmable Logical Controller).

Ci głe

Nieci głe

i g

. s

PROCESY

Schemat blokowy automatycznego układu sterowania

Obiekt

sterowania

Urz dzenia

sensoryczne

Urz dzenie

steruj ce

(

sterownik

)

Urz dzenia

wykonawcze

Urz dzenia

wprowadzania

danych

Urz dzenia

rejestracyjne

URZ DZENIA

WEJ CIOWE

URZ DZENIA

WYJ CIOWE

OBIEKT

UKŁAD

AUTOMATYKI

Podstawowa struktura układów sterowania

Urz dzenie steruj ce

a=f(e)

Obiekt sterowania

y=f(x, z)

Wielko ciami wej ciowymi

a do urz dzenia steruj cego s :

wielko ci zwrotne z obiektu

r takie jak sygnały z procesu, np. wielko ci zwi zane z

materiałem, energi i sygnalizacj stanu pracy.

Wielko ciami wyj ciowymi

b z urz dzenia steruj cego s :

wielko ci kierowania

w takie jak: start, stop, tryb pracy (automatyczny, krokowy, r czny),

warto ci zadane i ograniczenia oraz

wielko ci meldunków

v, takie jak informacje o stanie systemu oraz

wielko ci nastawiaj ce

x, które wpływaj na obiekt sterowania.

Wielko ciami sterowanymi

y s wielko ci wyj ciowe z obiektu sterowania. Do wielko ci

sterowanych nale ró ne wielko ci fizyczne, a w procesach produkcyjnych równie parametry

jako ciowe i ilo ciowe, takie jak np. liczba wyrobów.

Wielko ciami zakłócaj cymi

z s niepo dane wielko ci wej ciowe.

Pod I s zestawione strumienie wej ciowe takie jak strumienie materiałów, energii i informacji,

które wpływaj do obiektu sterowania i zmienione opuszczaj go jako strumienie wyj ciowe Q.

Technika automatyzacji

Technika sterowania

Metody stosowane w technice sterowania

sterowanie

regulacja

planowanie kierowanie nap dzanie mierzenie nadzorowanie

Przetwarzanie

sygnałów

analogowe

Przetwarzanie

sygnałów

binarne/cyfrowe

Rodzaje sterowania:

- sterowanie funkcyjne
- sterowanie programowe

- sterowanie sekwencyjne
- sterowanie logiczne

Rodzaje rodków

sterowania:

- mechaniczne
- hydrauliczne
- pneumatyczne
- elektromechaniczne
- elektroniczne
- programowe

Poziomy sterowania:

- poziom zakładu
- poziom  planowania
- poziom  kierowania
- poziom  gniazda
- sterowanie maszyn
- sterowanie jednostkowe
- poziom  procesu

Funkcje sterownicze i

urz dzenia:

- sterowanie nadrz dne
- sterowanie numeryczne
- sterowanie maszyn
- sterowanie nap dów
- sterowanie procesów

Cechy charakterystyczne techniki sterowania

Klasyfikacja układów sterowania

Zorientowane na technologi

• Sterowanie programowane

przez poł czenia,

• Sterowanie programowalne

przez pami ,

• Sterowanie przeka nikowe,
• Sterowanie pneumatyczne,
• Sterowanie hydrauliczne.

Zorientowane na funkcje

• Sterowanie logiczne,
• Sterowanie sekwencyjne.

Zorientowane na aplikacj

• Sterowanie blokadami,
• Sterowanie

bezpiecze stwem,

• Sterowanie spalaniem,
• Sterowanie receptur ,
• …

Zorientowane na sygnały

• Sterowanie analogowe,
• Sterowanie cyfrowe,
• Sterowanie binarne.

Zorientowane na struktur

• Sterowanie

synchroniczne.

• Sterowanie

asynchroniczne.

Zorientowane na hierarchi

• Sterowanie jednostkowe,
• Sterowanie grupowe,
• Sterowanie nadrz dne.

Elementy

wykonawcze/

nap dy

Urz dzenia

sensoryczne

Poziom sterowania

Sieci/

komunikacja

Oprogra

mowanie

Systemy otwarte

RFID

Nap dy

elektryczne

zamiast

hydraulicznych

„Inteligentne”

urz dzenia

obiektowe

Mechatronika

Systemy

przetwarzania

obrazów

J zyki

programowania

wysokiego

poziomu

Systemy

wbudowane

Rozproszone

układy

sterowania

Otwarta architektura

oprogramowania

Przemysłowy

Ethernet

Otwarte

interfejsy

Engineering

Tools

J zyki programowania

wysokiego poziomu

Pełna integracja

poziomu biznesowego

z obiektowym

Sieci

bezprzewodowe

Otwarte

standardy

komunikacyjne

Aplikacje oparte

na Internet’cie

2015

2010

2005

2015

2010

Rok

Rozwój systemów automatyzacji

Przetwarzanie analogowo-cyfrowe

Przetwornik analogowo

cyfrowy A/C

Zasada działania

Zasada działania
Porównywanie mierzonego napi cia sygnału ze znanym,

stopniowanym napi ciem odniesienia.

Własno ci:

Własno ci:
• czasy przetwarzania w zakresie ms,
• rozdzielczo 4 do 12 bit,
• stosowany przy du ej dynamice sygnału (np. pomiary drogi).

Warianty:

Warianty:
• metoda zliczania,
• równoległe komparatory,
• przyrostowe przetwarzanie stopni,
• przyrostowe przetwarzanie nad ania,
• sukcesywne przybli anie.

Sensor jest urz dzeniem przeznaczonym do pomiaru wielko ci

fizycznych (chemicznych).

fizycznych (chemicznych). Za pomoc sensorów w układzie sterowania

mo na okre li stan zespołu maszyny (urz dzenia) lub procesu.

Sygnał

wyj ciowy

(cyfrowy/

analogowy)

Nieelektryczna

wielko

po rednia

Pierwotna

wielko

elektryczna

Analogowy

sygnał

pomiarowy

Cyfrowy

sygnał

pomiarowy

Przekształcanie

Element

przetwornika

Elektronika

przetwarzaj ca

Przetwornik

analogowo-

cyfrowy

Sterownik

Przetwornik

(prosty sensor)

Sensor

zintegrowany

Sensor

inteligentny

Sygnał

wej ciowy

Stopie integracji sensorów

Przebieg sygnału w sensorze charakteryzuj nast puj ce etapy:

1. Przekształcanie sygnału mierzonej wielko ci fizycznej w jedn z

wielko ci po rednich (np. siły na odkształcenie).

2. Przetworzenie mechaniczno-elektryczne na sygnał elektryczny za

pomoc elementu przetwornikowego, przy wykorzystaniu ró nych

zjawisk fizycznych (opór elektryczny, indukcyjno ,

piezoelektryczno ).

3. Przetworzenie elektrycznego sygnału za pomoc układu

elektronicznego w celu: wzmocnienia sygnału, kompensacji waha

punktu zerowego (dryft zera), odfiltrowania sygnałów zakłócaj cych,

linearyzacji sygnału pomiarowego, dopasowania zakresu

pomiarowego oraz normowania sygnału wyj ciowego.

4. Przetworzenie analogowego sygnału pomiarowego na posta

cyfrow za pomoc przetwornika analogowo-cyfrowego.

5. Zintegrowanie komputera w obudowie inteligentnego sensora pozwala

na dalsz obróbk sygnału pomiarowego w celu: nadzorowania

danych pomiarowych, wyzwalania alarmów przy stanach granicznych

sygnału, komunikacji z innymi urz dzeniami (np. sterownik) itp.

Etapy przetwarzania sygnału w sensorze

Ogólne wymagania dotycz ce sensorów:

jednoznaczne odwzorowanie wielko ci wej ciowej w wielko

wyj ciow ,
nieczuło na oddziaływania innych czynników ni mierzona

wielko , w tym na zakłócenia elektromagnetyczne,
liniowo charakterystyki pomiarowej,
normalizacja sygnału wyj ciowego (sygnały analogowe: 0 ... +5V,

-5 ... +5V, -10 ... +10V oraz p tla pr dowa 0 ... 20mA lub 4 ... 20mA;

sygnały cyfrowe z interfejsami: Centronics, RS232, RS485; lub

systemy sieciowe: Profibus, Interbus, CAN, Ethernet, ...),
łatwe zasilanie pr dem (np. +5V, +24V),
mo liwo kontroli sprawno ci działania (np. dioda wiec ca,

zdalne odpytywanie, własne nadzorowanie sensora).

Wymagania stawiane sensorom

Zasady pomiaru wielko ci kinematycznych i dynamicznych

Piezorezystantywna (

Piezoelektryczna (

Optyczna (

Magnetostrykcyjna (

B, t)

Magnetyczna (

Nadd wi kowa (czas

przebiegu) (

Pojemno ciowa (

Indukcyjna (

Potencjometryczna (

F, M, p

εεεε

υυυυ

ωω

Zasada działania

(

wielko pomiarowa)

Wielko ci kinematyczne:

droga

, k t

ϕϕϕϕ

pr dko

liniowa

υυυυ

, pr dko

k towa

ωω

przyspieszenie

, przyspieszenie k towe

εεεε

Wielko ci dynamiczne:

siła

moment obrotowy

ci nienie

Potencjometryczne metody pomiaru polegaj na odwzorowaniu

wielko ci wej ciowej przemieszczenia (droga, k t) w zmian oporno ci

potencjometru (liniowego lub obrotowego). Potencjometry te mog by :

drutowe, z przewodz cym tworzywem sztucznym lub hybrydowe.

W metodach indukcyjnych do pomiaru wykorzystuje si oddziaływanie

na indukcj magnetyczn L w cewce wywołane przez ruch ciała

ferromagnetycznego w jej polu magnetycznym. Stosuje si układy:

dławikowe lub transformatorowe.

W pojemno ciowych metodach pomiaru wykorzystuje si zmian

pojemno ci kondensatora płytowego pod wpływem zmian powierzchni,

odległo ci lub przenikalno ci elektrycznej. Stosuje si układy ró nicowe.

Ultrad wi kowe metody pomiarowe s oparte na pomiarze czasu

przebiegu impulsu ultrad wi kowego. Jako przetworniki ultrad wi kowe

stosuje si elementy piezoelektryczne, które przy przyło eniu napi cia

elektrycznego odkształcaj si .

W magnetostrykcyjnych czujnikach pomiarowych wykorzystywane jest

odkształcenie mi kkich magnetycznie materiałów pod wpływem

oddziaływania zewn trznego pola magnetycznego.

Metody pomiaru wielko ci fizycznych

Sensory

Sensory mo na

klasyfikowa

klasyfikowa wg ró nych

kryteriów

kryteriów. Takimi kryteriami

mog by np.: rodzaj mierzonej wielko ci, wykorzystane zjawisko

fizyczne, rodzaj sygnału wyj ciowego, zakres pomiarowy, rozdzielczo ,

wymiary itp.
Sensory mog pracowa na zasadzie

stykowej

stykowej lub

bezstykowej

bezstykowej, mog

one by

czynne

czynne (aktywne) lub

bierne

bierne (pasywne).

W sensorach aktywnych elektryczny sygnał wyj ciowy powstaje bez

dostarczania dodatkowej energii pomocniczej (zasilania) dzi ki samemu

działaniu wielko ci mierzonej. Natomiast sensory bierne wymagaj

dostarczania dodatkowej energii, aby uzyska z nich sygnał elektryczny.
Sensory mog mie ró n odporno na działanie warunków rodowiska

(mediów, zakłóce itp.).
Aby na podstawie sygnałów wej ciowych (pokazanych wcze niej)

uzyska sygnały wyj ciowe stosowane s ró ne zjawiska (efekty)

fizyczne. Dlatego te rozró nia si sensory: pojemno ciowe, indukcyjne,

rezystancyjne (oporowe), piezoelektryczne, magnetooporowe,

termoelektryczne, piezoelektryczne, ultrad wi kowe, wykorzystuj ce

efekt

Hall’a itd.

Sensory – pomiar sygnałów c.d.

Sensor

Wielko

wej ciowa x

Wielko

mierzona

Wielko

wyj ciowa y

Sensory – pomiar sygnałów c.d.

+ y

+ x

Sensory w maszynach i instalacjach produkcyjnych

Podział sensorów ze wzgl du na zastosowanie

Pomiar wielko ci

fizycznych

Np. ci nienie oleju,

temperatura ło ysk,

siła skrawania

Okre lanie poło enia

lub pr dko ci

Np. poło enie sa ,

pr dko obrotowa

silnika, k t obrotu,

odległo

Ocena optyczna

Np. kontrola butelek,

orientacja przedmiotu

Identyfikacja obiektu

Np. narz dzia, przedmiotu,

zawarto ci magazynu,

osoby

Sprawdzanie istnienia

obiektu

Np. sanie na pozycji

ko cowej, górny poziom

cieczy, przedmiot na

ta mie

Sensory dla maszyn i instalacji produkcyjnych

Inicjatory

Zadanie

Dostarczanie

informacji binarnych o

tym, czy została

osi gni ta okre lona

pozycja zespołu

roboczego,

wprowadzony

przedmiot, uzyskany

okre lony poziom

napełnienia itp.

Rodzaje

• Indukcyjne czujniki

zbli eniowe,

• Pojemno ciowe

czujniki

zbli eniowe,

• Mechaniczne

wył czniki

kra cowe,

• Bariery (kurtyny)

wietlne.

Własno ci

• Sposób pracy: stykowy

lub bezstykowy,

• Uzyskiwana

cz stotliwo zał czania:

du a, mała,

• Budowa: pryzmatyczna,

cylindryczna,

• Zastosowanie: wszystkie

materiały, tylko

przewodniki pr du.

Sensory dla maszyn i instalacji produkcyjnych

Systemy identyfikacyjne

Zadanie

Identyfikacja

przedmiotu,

narz dzia, palety,

pozycji itp., wzgl.

manipulowanie

dodatkowymi

danymi (np.

warto korekcji

narz dzia).

Cz ci składowe

No nik danych,

etykieta z tekstem,

lub kodem

kreskowym wzgl.

programowalny

moduł (

chip

Urz dzenie do

zapisu/ odczytu:

skaner laserowy,

kamera itp.

Własno ci

Mo liwo ci: tylko

odczyt lub odczyt

i zapis.
Rodzaje zapisu:

tylko statycznie,

statycznie lub

dynamicznie.

Ogólny schemat blokowy sensora ultrad wi kowego

Opracowywanie

(analizowanie)

Sterowanie

przebiegiem

Przetwornik

ultrad wi kowy

Przeł cznik

odbieranie/

nadawanie

Wzmacniacz

odbioru

Przygotowanie

sygnału

Licznik

Wzmacniacz

nadawania

Generator

Zegar

Mikrosterownik

Budowa sensora magnetostrykcyjnego

Fala

ultrad wi kowa

Fala

ultrad wi kowa

Tłumienie

Wzbudzaj cy

impuls pr dowy

Przetwornik

piezoelektryczny

Odbiornik

Magnesy czujnika

pozycji

Przewód

falowy

Układ (urz dzenie), które przekształca kod ródłowy na kod docelowy

nazywa si

koderem

koderem (przetwornikiem kodu).

Przetwornik kodu, który przekształca cyfry

systemu dziesi tnego w system dwójkowy

ma 10 wej , np. przeł czników i 4 wyj cia,

np. LED. Do zobrazowania dziesi ciu

ró nych stanów potrzebne s przynajmniej

cztery miejsca dwójkowe.

Dziesi t

nie

Dwójkowo

Dekoder

Dekoder
Układ, który zakodowan informacj

przekształca ponownie na pierwotny kod

nazywa si dekoderem.

Dziesi t

nie

Dwójkowo

Kodowanie - dekodowanie

W przetwarzaniu informacji istotne znaczenie ma kodowanie danych.

Takim kodem jest np. pismo, a innym znaki Morse’a.
Kod stanowi przepis (klucz) do przyporz dkowania dwóch znaków w

ró nych systemach (alfabetach). W technice cyfrowej istnieje wiele

ró nych kodów, których zastosowanie wynika cz sto z rodzaju aplikacji.

Kod dwójkowy (binarny).

Kod dwójkowy (binarny).
Kod dwójkowy jest sposobem przedstawienia liczby dziesi tnej w

postaci wzorca binarnego: np. liczba

w kodzie dwójkowym ma

posta :

1010

, czyli

= 10. Kod ten mo na

opisa za pomoc nast puj cej tabeli kodowej.

Kody, kodowanie/ dekodowanie

1111

0111

1110

0110

1101

0101

1100

0100

1011

0011

1010

0010

1001

0001

1000

0000

Wzorzec binarny

Liczba dziesi tna (c.d.)

Wzorzec binarny

Liczba dziesi tna

Realizacja kodowania: dziesi tne - binarne

Wyj cia

Wej cia

Równania

Boole’a

Tabela prawdy.

Układ poł cze

logicznych

Krytyczne miejsce podczas

okre lania pozycji za pomoc

kodu binarnego

Taki sam problem wyst puje

podczas pomiaru k tów.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Okre lanie pozycji

1110

1111

1101

1100

1011

1010

1001

1000

0111

0110

0101

0100

0011

0010

0001

0000

Warto

dziesi tna

Warto

binarna

Kod Gray’a

1011

1010

1001

1000

1101

1100

1110

1111

0101

0100

0110

0111

0010

0011

0001

0000

Kod Gray’a

Warto

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Warto w kodzie Gray’a

1110

1111

1101

1100

1011

1010

1001

1000

0111

0110

0101

0100

0011

0010

0001

0000

Warto w kodzie

Glixon’a

Warto w kodzie

Gray’a (BCD)

Warto w

kodzie Alken’a

Warto w kodzie

Stibitz’a lub 3-Excess

Warto binarna

w kodzie 8-4-2-1

Warto

dziesi tna

Kod

binarny

Do kodowania cyfr dziesi tnych za pomoc liczb binarnych s wykorzystywane cztery miejsca binarne (dwójkowe). Nie s

przy tym wyczerpywane wszystkie mo liwo ci. Dlatego te s mo liwe równie inne przyporz dkowania. Wtedy powstaj

inne kody, takie jak np. kody

Alken

Alken’a albo

Stibitz

Stibitz’a lub

Excess

Excess. Te oba kody s specjalnymi kodami stosowanymi do

oblicze . Ich zalet jest to, e podczas operacji obliczeniowych nie musz by przeprowadzane adne mudne korekcje,

jak to jest konieczne w przypadku oblicze z kodem dwójkowym. Kod

Glixon

Glixon’a ma własno ci kodu

Gray

Gray’a, jest jednak tak

pomy lany, e przy przej ciu z 9 do 0 zmienia si równie tylko jedno miejsce. Dzi ki temu mo na budowa liniały kodowe

lub tarcze kodowe równie w systemie dziesi tnym.

Dalsze kody dziesi tne zakodowane dwójkowo BCD

(ang.

Binary-Coded Decimal)

W budowie maszyn cz sto stosuje si obrotowe przetworniki

pomiarowe poło enia dwóch rodzajów: resolwery optyczne i

resolwery indukcyjne.

stanów

Kod binarny

kod

0000

1100

0001

1101

0011

1110

0010

1111

0110

1110

0111

1011

0101

1101

0100

1100

Tarcza optycznego przetwornika typu

single-turn

Liczba cie ek n=4

Budowa i działanie enkodera optycznego

Wałek

cie ka/ kanał

Do tyłu

Do przodu

Zero

cie ka A

cie ka B

Ło yska

Fotoelementy

Tarcza kodowa

LED

Znak odniesienia

Siatka formuj ca

Przykłady przetworników obrotowo-impulsowych

(

enkoderów optycznych)

Historia kodów kreskowych

Po raz pierwszy w praktyce kod kreskowy zastosowano do identyfikacji wagonów kolejowych w roku 1962. Natomiast do

powszechnego u ycia kody kreskowe wesz

y w latach siedemdziesi tych. W Polsce na szersz skal zacz to u ywa kodów

kreskowych dopiero po 1990 roku, tzn. od przyst pienia do Mi dzynarodowego Stowarzyszenia Kodowania Towarów IANA

(

International Article Numbering Associacion

). Obecnie jest to EAN International. Najpierw kody kreskowe zacz to powszechnie

stosowa w handlu detalicznym w Stanach Zjednoczonych i Kanadzie, co by

o spowodowane ch ci podwy szenia wydajno ci

pracy, usprawnienia obs

ugi klientów i u

atwienia ewidencji w punktach sprzeda y. Korzy ci p

yn ce z ich zastosowania

wzbudzi

y zainteresowanie tak e w innych krajach, a w szczególno ci w Europie. Nast pnym krokiem by

o wykorzystanie kodów

kreskowych na potrzeby przemys

u i w innych dziedzinach.

W zwi zku ze wzrastaj cym zainteresowaniem Elektroniczn Wymian Danych (EDI) kody kreskowe zacz to równie u ywa w
komunikatach EDI, co rozszerzy

o zakres ich zastosowa .

Kod kreskowy jest kombinacj nast puj cych po sobie jasnych i ciemnych kresek odzwierciedlaj cych ci g znaków (w

zale no ci od standardu - cyfr, liter lub wszystkich znaków ASCII). Kreski te s elementami kodu. Jasne kreski mo na te

okre li jako przerwy pomi dzy kreskami ciemnymi. Kombinacje nast puj cych po sobie ró nej grubo ci kresek i przerw

reprezentuj okre lone znaki. Po lewej i prawej stronie kodu kreskowego znajduje si wolna przestrze szeroko ci przynajmniej

1/4", ułatwiaj ca czytnikowi zorientowanie si gdzie kod kreskowy si zaczyna i gdzie si ko czy (Start i Stop).
W trakcie czytania kodu, wiatło pochodz ce z czytnika jest odbijane przez jasne elementy kodu (przerwy), a pochłaniane przez

jego ciemne elementy (kreski). wiatło odbite od przerw powoduje powstanie w czytniku słabszych sygnałów elektrycznych,

natomiast w wyniku braku odbicia (kreski) powstaj silniejsze sygnały. W zale no ci od grubo ci kresek ró na jest te długo

trwania poszczególnych sygnałów. W wyniku tego powstaje ci g sygnałów elektrycznych o ró nym nat eniu i ró nej długo ci.

Jest to tylko nieco bardziej skomplikowane od zasady działania alfabetu Morse'a. Otrzymane w ten sposób impulsy elektryczne

s t

umaczone przez dekoder czytnika na j zyk cyfr, liter i innych znaków ASCII. W tym „normalnym” ju formacie dane trafiaj

do komputera.
Kod kreskowy (podobnie wiele innych technik automatycznej identyfikacji) rzadko sam w sobie zawiera istotn dla jego

u ytkownika informacj . Jest tylko swego rodzaju identyfikatorem, pozwalaj cym na szybkie otrzymanie potrzebnych danych.

Dane zawarte w samym kodzie kreskowym s tylko ci giem znaków (identyfikatorem), któremu w odpowiedniej bazie danych

przyporz dkowane s pewne informacje. Dla przykładu, kod kreskowy wydrukowany przez producenta na oryginalnym

opakowaniu towaru (np. soku w kartonie), nie zawiera informacji dotycz cej ceny tego towaru. Istnieje tak e mo liwo

zapisania pewnych danych bezpo rednio w tre ci kodu kreskowego. Stosuje si j jednak raczej rzadko i ma ona sens jedynie

w przypadku danych o małej ilo ci znaków (np. oznaczenie tylko daty produkcji towaru). Je li zachodzi konieczno

zapisu nieco

obszerniejszych informacji bez odwoływania si do zewn trznych baz danych, to od niedawna stosuje si specjalne standardy

kodów kreskowych - kody pi trowe inaczej zwane kodami dwuwymiarowymi.

Podstawy kodów – kody kreskowe

Podstawowe rodzaje kodów kreskowych:
• liniowe 1D,
• dwuwymiarowe 2D oraz
• hybrydowe.
Symbole linearnych kodów kreskowych s

łatwo rozpoznawalne przez pionowe paski ciemne i jasne o ró nych

szeroko ciach. Kod kreskowy nie został zdefiniowany w pojedynczym dokumencie. Obecnie istnieje na wiecie ponad 400

ró nych rodzajów linearnych kodów, natomiast te najbardziej u ywane to: Code 128, Code 39, EAN-13, EAN-8, EAN-128, ITF

(przeplatany 2 z 5), UPC-A i UPC-E.
Podział linearnych kodów kreskowych 1D mo e by dokonany w zale no ci od ilo ci ró nych rodzajów pasków stosowanych w

danym kodzie. Mo na wyró ni nast puj ce typy linearnych kodów kreskowych:
• 2W - kody kreskowe, w których wyst puj paski o dwóch ró nych szeroko ciach,
• 4W - kody kreskowe, w których wyst puj paski o czterech ró nych szeroko ciach,
• 4S - kody kreskowe, w których paski kodu kreskowego mog wyst pi w 4 ró nych stanach.
Kody dwuwymiarowe 2D mo na podzieli na dwie grupy: symboliki macierzowe i wielowierszowe (liniowe) kody kreskowe.

Symboliki macierzowe maj posta macierzy punktów, natomiast wielowierszowe maj wygl d zbli ony do linearnych kodów

kreskowych z bardzo krótkimi paskami, uło onymi jeden na drugim.
Kody hybrydowe s kategori kodów kreskowych, które stanowi poł czenie cech kodów linearnych i dwuwymiarowych.

Niektóre kody kreskowe mog przedstawia tylko cyfry (przeplatany 2 z 5, EAN-8, EAN-13, UPC), inne cyfry i litery (Code 39,

Code 128), przy czym tylko Code 128 mo e przedstawia wszystkie 128 znaków ASCII. Niektóre kody maj

ci le okre lon

liczb znaków (EAN-8 jest o mio-, EAN-13 - trzynasto-, UPC-A - dwunasto-, a UPC-E - sze ciocyfrowy). Kody o zmiennej

długo ci to m.in.: Code 128, Code 39.
Aby zwi kszy pewno

odczytu kodu stosuje si do

szeroko sumy kontrolne. Sumy kontrolne wyst puj najcz ciej w formie

jednego znaku na ko cu kodu. Tak jest np. w przypadku EAN-8 i EAN-13 - z tego wła nie wzgl du mimo, e potencjalnie da si

w nich zapisa odpowiednio: 13 i 8 cyfr, to wykorzysta mo na tylko 12 i 7. Cyfra kontrolna liczona jest wg specjalnego

algorytmu skonstruowanego tak, aby łatwo mo na było wychwyci wszelkie przekłamania odczytu. Oczywi cie algorytm ten

równie musi by standardowy - tak aby ka dy czytnik kodów kreskowych potrafił go obliczy (czyli sprawdzi poprawno

cyfry

kontrolnej). W niektórych kodach cyfra kontrolna jest widoczna (np. EAN-13), a w innych jest ukryta (np. Code 128). W kodzie

Code 39 cyfra kontrolna mo e, ale nie musi wyst powa .

Podstawy kodów c.d.

Uproszczon wersj kodu EAN-13 jest EAN-8. Uproszczenie to polega na pomini ciu identyfikacji zakładu produkcyjnego.

Kod ten zawiera wi c informacje na temat kraju produkcji (3 cyfry) oraz rodzaju towaru (4 cyfry), a ostatni ósmy znak to

cyfra kontrolna. Znaki po lewej stronie kodu kodowane s wg zbioru A, a po prawej stronie wg zbioru B (sposób kodowania

w zbiorach jest identyczny jak w EAN-13). Ka da kreska zbudowana jest z 1, 2, 3 lub 4 modułów, a ka dy znak z 7

modułów. Po lewej i prawej stronie kodu s nieco dłu sze kreski - to znaki START i STOP o szeroko ci równej jednemu

modułowi.

EAN-13 Kod ten jest europejsk odmian , opracowanego w 1973 r. w USA i Kanadzie, kodu UPC (

Universal Product Code

). Kody EAN

(

European Article Numbering

) rozpowszechniły si w handlu detalicznym, hurtowniach i magazynach. To wła nie EAN widnieje na

wszystkich niemal opakowaniach towarów w sklepach, gdy tego standardu u ywa si do nadawania unikalnych numerów produktów.

Pierwsze trzy cyfry EAN-13 oznaczaj kraj, w którym towar wyprodukowano, nast pne cztery wskazuj konkretnego producenta,

natomiast pozostałe pi

opisuje sam towar. Ostatni element to obligatoryjna cyfra kontrolna - tak wi c z 13 cyfr do dyspozycji pozostaje

12. W kodzie EAN-13 zapisywa mo na jedynie cyfry (0-9).
EAN-13 ma znak START i STOP - skrajne dwie cienkie kreski o szeroko ci jednego modułu. Pozostałe kreski maj szeroko ci b d ce

jego wielokrotno ci (1, 2, 3, 4). Ka dy znak zbudowany jest z 7 modułów. Znaki w lewej cz ci kodu kodowane s w dwóch zbiorach A

lub B (wybór zbioru zale y od pierwszej cyfry), a znaki po prawej stronie - w zbiorze C. Moduł nie mo e mie dowolnej szeroko ci -

standard okre la precyzyjnie zbiór dopuszczalnych szeroko ci. Tego kodu nie da si płynnie skalowa i dlatego te wa ne jest aby był on

reprezentowany wektorowo. Z tego powodu jest to kod stosunkowo trudny do wydruku - szczególnie na drukarkach igłowych.

EAN-13 to prawdopodobnie najpowszechniej na wiecie stosowany kod kreskowy. Zdecydowana wi kszo

towarów konsumpcyjnych jest oznaczana za pomoc tego kodu. Spotka wi c go mo na w praktycznie ka dym

sklepie czy supermarkecie. Nad unikalno ci kodu czuwa EAN International zrzeszaj ce krajowe organizacje EAN

przydzielaj ce numery w ramach przydzielonego dla danego kraju prefiksu.

Kod kreskowy EAN-128 został oparty na popularnym kodzie Code 128. Wła ciwie jedyna istotna ró nica polega na tym, e pierwszym

znakiem po znaku startowym jest symbol FNC1 (zreszt przewidziany w symbolice Code 128). Podstawowa zaleta EAN-128 to dokładna

standaryzacja jego zawarto ci. W kodzie tym przechowywa mo na np. dat produkcji, dat pakowania, ilo

a nawet numer zamówienia.

Ka da z tych informacji ma przewidziany norm prefiks (np. data pakowania: 1

, data produkcji 11). Poszczególne informacje ł czy si w

jeden ci g, np.:
11990120 - oznacza dat produkcji (bo 11): 1999-01-20,
12990121 - oznacza dat pakowania (bo 12): 1999-01-21.
Jedno i drugie mo na zawrze w jednym kodzie: 1199012012990121.
Kod EAN-128 daje zupe

nie nowe mo liwo ci w zakresie wymiany informacji pomi dzy partnerami handlowymi, a dzi ki standaryzacji

rozumienie tych kodów kreskowych jest wsz dzie to samo.

Kody kreskowe

Przykład zastosowania kodu dwuwymiarowego (2D)

Laserowe znakowanie frezów kodem Data

Matrix

Do identyfikacji narz dzi i ich zabezpieczenia przed

fałszowaniem np. frezy mog by u producenta

znakowane kodem

Data

Matrix

Matrix. Na podstawie tego

kodu mog nast pnie by np. wywoływane dane

narz dziowe podczas ostrzenia freza. Ponadto kod

Data Matrix mo e chroni wysoko-precyzyjne

narz dzia przed fałszowaniem. Frezy o rednicach w

zakresie 6-20mm mog by znakowane w

zautomatyzowanej linii wytwórczej.

Za pomoc pompowanej diod Nd:YAG laserowej jednostki znakuj cej typu

MISTRAL, która jest zintegrowana z lini wytwórcz narz dzi frezarskich, mo na

realizowa znakowanie frezów kodem Data Matrix. Laserowa jednostka

znakuj ca jest tutaj zintegrowana w zrobotyzowanym gnie dzie do polerowania

narz dzi. Frezy s pobierane przez robota i umieszczane w przyrz dzie pod

laserem. W ci gu jednej sekundy na stalow powierzchni trzpienia freza jest

nanoszony laserowo kod macierzowy o wymiarach 3 x 3 mm. Nadrz dny

komputer steruj cy przekazuje do jednostki znakuj cej aktualn zawarto kodu

jak równie typ narz dzia. Po oznakowaniu narz dzie jest odbierane przez robot

z urz dzenia do znakowania i polerowane na obracaj cych si szczotkach.

Ta metoda znakowania przez powierzchniowe zmiany w materiale tworzy trwałe

i zabezpieczone przed fałszowaniem oznakowanie wyrobu. Dzi ki w skiemu
promieniowi lasera, mniejszemu od 40

µµµµ

m, taki kod mo e mie małe wymiary i

mo e by nanoszony tak e na zakrzywionych powierzchniach trzpienia freza.

Przykład znakowania

kodem Data Matrix

obudowy skrzyni korbowej

silnika spalinowego.

Identyfikacja narz dzi (

chip) – zarz dzanie informacj

numer identyfikacyjny
bie cy numer narz dzia

(indywidualny)
numer kodu dla obrabiarki
dane korekcyjne:

- długo ,

- rednica,

- promie ,

- ...
system narz dziowy,
status narz dzia,
stan narz dzia,
okres trwało ci,
transportat (historia pobytu)

Chwyt walcowy

Chwyt sto kowy

Chwyt dla głowicy

Działanie

transpondera

Je eli transponder znajduje si w obszarze anteny zapisu/odczytu, to w przypadku bezbateryjnych transponderów

najpierw nast puje ładowanie energii. Nast pnie transponder wysyła zawarto swojej pami ci danych do stacji

zapisu/odczytu lub te otrzymuje nowe dane, które s zapami tywane. Dialog wzgl. transmisja danych odbywa si

cyklicznie i jest powtarzana, jak długo transponder znajduje si w obszarze obszaru transmisji. Niezawodno

transmisji danych jest zapewniana przez odpowiedni protokół.Zasi g transmisji danych jest zale ny po pierwsze od

wielko ci anteny transpondera, stacji zapisu/odczytu oraz od tego czy chodzi o bierny czy te aktywny typ

transpondera. W transponderach aktywnych, w zale no ci od wykonania mo e to by odległo do 100 m,

natomiast w transponderach biernych odległo ta zawiera si w przedziale 2-70 cm.

Zastosowania.

Zastosowania techniki

RFID

RFID (

Radio Frequency IDentification) s bardzo ró norodne. Rozci gaj si one od prostej

identyfikacji, np. w systemach otwierania drzwi, do zło onych układów sterowania, np. w liniach produkcyjnych. To,

e zawarto

transpondera mo na zmienia podczas jego u ytkowania, umo liwia umieszczanie w nim meldunków

stanu lub statusu, które mog by nast pnie bezpo rednio przetwarzane przez inteligentne czytniki. Identyfikacja za

pomoc RFID jest sensowna w trudnych warunkach, w których zawodz metody optyczne.

Transponder

Transponder jest mikroelektronicznym obwodem z antenami nadawcz i odbiorcz ,

z logicznym układem steruj cym oraz pami ci danych i magazynowaniem energii.

Takie obwody s umieszczane w ró nego rodzaju obudowach, np.

ako naklejane

etykiety, przyciski, kary

chip’owe, ruby, trzpienie lub plakietki. Obudowy s

hermetycznie zamkni te i odporne na działanie uderze , drga , ci nienia, rodków

chemicznych i temperatury. Istnieje dwa zasadnicze rodzaje takich pami ci danych.

Pierwsze z nich mo na tylko jednorazowo zapisa (transpondery programowane na

stałe), natomiast drugie umo liwiaj wymian lub nadpisanie zapami tanych

informacji (transpondery programowalne). Dalej rozró nia si takie transpondery,

które energi potrzebn do transmisji informacji i przechowywania danych pobieraj

z baterii (systemy aktywne) oraz systemy bierne, które s zasilane przez pole

elektromagnetyczne.

Transpondery – technika RFID