Automatyka- dyscyplina naukowa i techniczna zajmująca się teorią i praktyczną realizacją urządzeń sterujących obiektami technicznymi bez udziału człowieka lub ograniczonym jego udziałem. Stanowi podstawę automatyzacji

Automatyzacja-

Automatyczny- (1) wykonujący cały cykl pracy bez udziału człowieka (2) wykonywany za pomocą automatu

Automat- urz. techniczne, którego istotną cechą jest zdolność samoczynnego wykonywania pewnego ciągu czynności

Sterowanie- działanie na określony układ mające na celu zapewnienie jego zachowanie się
w zgodny sposób - sterowanie ręczne( czł. spełnia rolę przynajmniej jednego członu układu sterowania) - automatyczne (odbywające się bez udziału człowieka)

Sterowanie zdalne- sterowanie przy którym sygnały sterujące przesyłane są do obiektów sterowanych znajdujących się w znacznej odległości od urządzenia sterującego

Sterowanie w ukł. otwartym- t.j. bez sprzężenia zwrotnego, tzn. bez możliwości wyeliminowania wpływu wielkości zakłócających na przebieg danego procesu

Sterowania w ukł. zamkniętym- (regulacja)

Regulacja- utrzymywanie zadanej z góry wartości określonego parametru

Sygnał- dowolna wielkość fizyczna niosąca ze sobą informacje. Inf. jest zawarta w jednym lub kilku parametrach tej wielkości np. wartość chwilowa, wartość szczytowa, wartość średnia itp.

Syg. wejściowy- wielkość wejściowa lub wymuszenie, sygnały działające na układ dynamiczny, czynniki zewnętrzne

Syg. wyjściowy- wielkość wyjściowa lub odpowiedź , wielkości określające efekty działania układu dynamicznego

Syg. syg. wejściowe na które możemy wpływać

Syg. zakłócające- zmieniające się przypadkowo bez naszej woli

Procesy automatyzacji w rolnictwie

- utrzymywanie kierunku jazdy przez przejezdne agregaty maszynowe

-sterowanie pracą narzędzi

-wpływ na prędkość jazdy przejezdnych agregatów maszynowych

-synchronizacja agregatu z środkiem transportu

-przenoszenie masy

-rozdzielanie

-mieszanie

-dozowanie

-suszenie klimatyzacja

Elementem automatyki- nazywamy urządzenie lub część urządzeń występujące w układzie automatycznej regulacji, w którym można wyodrębnić syg. wejściowy x i syg. wyjściowy y, lub syg. wejściowe x1, …, xn i syg. wyjściowe y1, …, yn

Układem automatyki (sterowania automatycznego)- nazywamy zespół składający się z jednego lub więcej obiektów sterowania, i oddziaływujących na niego przyrządów lub urządzeń uporządkowanych na zasadzie ich wzajemnej współpracy

Regulatory- w ukł. regulacji automatycznej (URA) urządzenie sterujące (regulator) ma za zadanie minimalizacje odchylania e wielkości regulowanej y od wielkości zadanej w. Regulator oddziałuje
na obiekt regulacji na podstawie aktualnie występującej różnicy e = y-w, przy czym oddziaływanie

to przeciwdziała zakłóceniu. Ogólnie przyjęto, że schematy blokowe ukł. sterowania zawierają oznaczenie:

US- urz. sterujące;

R- regulator(urz. sterujące);

Q- obiekt regulacji;

y- wielkość regulowania(sterowana);

w- wartość zadana wielkości regulowanej;

x- syg. sterujący(nastający);

z- zakłócenie; e = y - w błąd regulacji

Opis ukł. Automatyki

-charakterystyka statyczna- jest to zależność syg. wyjściowego (y) od syg. wejściowego (x) w stanach ustalonych

-chartka. Dynamiczna (funkcja przejściowa)- jest to zależność syg. wyjściowego y(t) od syg. wejściowego x(t) w czasie przejścia od jednego (x1,y1) do drugiego (x2,y2) stanu ustalonego

-chartka. Częstotliwościowe- reprezentują własności dynamiczne

Klasyfikacja ukł. Automatyki

-Podz. ze wzg. na liniowość elementów układu

1.ukł. liniowe- działanie ich można opisać z wystarczającą dokładnością za pomocą liniowego modelu matematycznego. Są to elementy o liniowej charakterystyce statycznej

2.ukł. nieliniowe- działanie ich nie można opisać dostatecznie dokładnie za pomocą liniowego modelu matematycznego. Są to elementy o nieliniowej charakterystyce statycznej

-Podz. ze wzg. na zadanie układu

1.ukł. stabilizujące- ukł. regulacji stałowartościowej, których algorytm działania realizuje utrzymywanie wielkości sterowanej na stałej wartości(w = const)

2.ukł. programowe- algorytm ich działania realizuje zmianę wielkości sterowanej według zadanego programu(w- zadane programem)

3.ukł. nadążne- algorytm ich działania realizuje pewien przebieg wielkości sterowanej przy czym przebieg ten nie jest z góry znany(wielkość regulowana nadąża za zakłóceniem)

4.ukł. ekstremalne- optymalny punkt pracy zapewniający ekstremum (max. lub min.) na charakterystyce przedstawiającej zależność wskaźnika jakości od wielkości sterujących lub parametrów ukł. sterującego utrzymuje się automatycznie

5.ukł. adaptacyjne- zew. Urządzenia, które w przypadku zmian własności obiektu lub oddziaływań zewnętrznych przywołują zmiany algorytmu sterowania zapeniające realizację pożądanego działania całego układu

-Podz. ze wzg. na sposób działania

1.o działaniu ciągłym

2.o działaniu nieciągłym

-Podz. ze wzg. na sposób przedstawienia wyników pomiaru wielkości regulowanej

1.ukł. analogowe- wielkość regulowana jest mierzona i przetwarzana na inna wielkość fizyczną o przebiegu w czasie analogicznym jak przebieg wielkości regulowanej

2.ukł. cyfrowe- wynik pomiaru wielkości regulowanej jest przetwarzany na sygnał cyfrowy i wyrażony w postaci liczby

-Podz. ze wzg. na liczbę obwodów regulacji

1.ukł. jednoobwodowe

2.ukł. wieloobwodowe

-Podz. ze względu na liczbe obwodów regulacji

1.ukł. jednoobwodowe- posiadają jedno główne sprzężenie zwrotne i nie posiadają sprzężeń zewnętrznych

2.ukł . wieloobwodowe- posiadaja więcej niż jedno sprzężenie główne lub pomocnicze

-Podz. ze wzg. na liczbę wielkości regulowanych

1.ukł. jednoparametrowe- o jednej wielkości regulowanej

2.ukł. wieloparametrowe- o wielu wielkościach regulowanych

-Podz. ze wzg. na rodzaj aparatury regulowanej

1.ukł. mechaniczne

2.ukł. hydrauliczne

3.ukł. pneumatyczne

4.ukł. elektryczne

5.ukł. mieszane

Wybrane zagadnienia z systemów automatyi:

System jest to zbiór elementów w określony sposób ze sobą powiązanych stanowiących całość, o określonym przeznaczeniu i scharakteryzowany pewną liczbą wielkości zwanych zmiennymi systemu.

Otoczenie systemu- zbiór elementów spełniających następujące czynniki:

-zmiany zmiennych charakteryzujących te elementy oddziałują na zmienne systemu

-zmiany zmiennych systemu oddziałują na zmienne elementów tworzących otoczenie. Sprzężenie istniejące pomiędzy systemem a jego otoczeniem dzieli się na zmienne wejściowe systemu i zmienne wyjściowe systemu. Zmiennymi wejściowymi (WE) systemu nazywamy zmienne przedstawiające oddziaływanie otoczenia na system. Natomiast zmienne wyjściowe (WY) systemu nazywamy zmienne przedstawiające oddziaływanie systemu na otoczenie.Zmienne systemy tworzące stan systemu nazywamy współrzędnymi stanu.

Sterowanie w torze otwartym i sterowanie ze sprzężeniem zwrotnym

Przy sterowaniu w torze otwartym system sterujący określa przebieg czasowy wejść sterujących obiektu w sposób niezależny od współrzędnych stanu obiektu.

Przy sterowaniu ze sprężeniem zwrotnym system sterujący określa przebieg czasowy wejść sterujących obiektu w zależności od niektórych lub wszystkich współrzędnych stanu obiektu. Dla obydwu sposobów sterowania przebieg wejść sterujących obiektu może być dodatkowo uzależniony od zakłóceń oddziałujących na obiekt. W tym cel należy mierzyć zakłócenia a wynik pomiaru przetworzyć w systemie sterującym by skompensować wpływ tych zakłóceń na obiekt sterowania.

Współpraca układu automatyki z obiektem

1642 - Pascal skonstruował maszynę matematyczną

Kodowanie dwójkowe - w rejestrach i komórkach pamięci mikrokomputera są przechowywane ciągi zer i jedynek. Ciągi te są nazywane słowami, a poszczególne ich elementy bitami.

Słowa mogą reprezentować rozkazy lub dane przetworzone przez mikrokomputer. Podstawowym typem danych występującym w mikrokomputerze są liczby dwójkowe całkowite, bez znaku lub ze znakiem.

Liczby całkowite bez znaku są kodowane naturalnym kodem dwójkowym (NB):

Słowo n - bitow

X = X _{n - 1} … X_i … X _i X ₀

Reprezentuje w tym kodzie liczbę z przedziału (0; 2 ^{n - 1}) o wartości równej

K _NB(X) =

Symbol K(X) oznacz tu informacje ( w tym przypadku liczbę ) reprezentowaną przez słowo dwójkowe X. Zgodnie ze wzorem słowo X = 1101 reprezentuje liczę całkowitą o wartości:

K _NB (1101) = 2³ * 1+ 2² *1 +2⁰ *1 = 8 + 4 + 1 = 13

Wektor informacji cyfrowej - wektor, którego elementem są zmienne binarne 0 i 1

Informacja cyfrowa - inf. przedstawiona za pomocą ciągu wektorów, których współrzędnymi są zmienne binarne.

Mikrosystemy - system przeznaczony do przetworzenia wektorów informacji cyfrowej w skład którego wchodzą:

• sprzęt elektroniczny

• oprogramowanie zapewniające realizację zadań sprzętu elektronicznego

1kB - 1024B

1MB - 1024KB

1GB - 1024MB

Pamięci

wewnętrzna - ROM, RAM

zewnętrzna - CD ROM

Rodzaje pamięci półprzewodnikowej:

1.Typu tablicowego:

a) RAM:

-statyczne

-dynamiczne

b)ROM:

-M ROM

-P ROM

-EP ROM

-EEP ROM

2.Typu funkcyjnego:

a)PLD

-PLA

-PLD

-PAL, P PAL, EP PAL, EEP PAL

Parametry pamięci:

pojemność pamięci - jest funkcją liczby linii adresowych i wielkości kom.

czas dost. - to czas jaki upłynie od momentu zaadresowania kom. pamięci do uzyskania zapisanej w tej kom. Informacji.

Mikroprocesor jest to element elektroniczny o wysokim stopniu integracji przeznaczony do wykonywania operacji arytmetyczno- logicznym na wektorach informacji cyfrowej.

Układ sterowania mikroprocesora działa cyklicznie wykonując cykl rozkazowy złożonych z 2 części fazy pobrania i fazy wykonania rozkazu. W fazie pobrania zawartość licznika rozkazu jest wysyłana na magistrale adresową, za jej pośrednictwem dociera do wyjścia adresowego pamięci programu. Sygnały sterujące powodują odczytywanie kolejnego rozkazu z pamięci i przesłanie go magistralą danych do rejestru rozkazów. Ponieważ kolejne rozkazy są pobierane z kolejnych komórek pamięci programu, stąd zawartość licznika rozkazu jest zwiększona o 1 po każdym pobraniu. Układ sterowania dekoduje pobierany z pamięci rozkaz a następnie przechodzi do fazy wykonywanej. Wykonanie rozkazu może polegać na przetworzeniu informacji zawartej w rejestrze roboczym mikroprocesora lub w pamięci danych, bądź na przesłaniu informacji między mikroprocesorem a pamięcią lub układami WE/WY. Dane są przetworzone za pośrednictwem ALU.

Repertuar rozkazów wykonywany przez mikroprocesor nosi nazwę listy rozkazów. Rozkazy te dzielą się na 4 grupy:

-rozkazy służące do przesyłania danych między rejestrami NP lub rejestrem a pamięcią;

-rozkazy służące do wykonywania operacji arytmetycznych i logicznych na zawartości rejestrów lub pamięci;

-rozkazy sterujące wykonywaniem programów;

-rozkazy WE/WY

Komunikacja

Bloki funkcjonalne te połączone są wewnętrzna magistralą danych. Komunikacja z układami współpracującymi (pamięci, urządzeń WE/WY) odbywa się przez:

-magistralą adresową (adress bus)po której mikroprocesor wysyła adres pamięci lub urządzenia WE/WY

-magistralą (date bus) po której są przesyłane informacje między jednostką centralną a układami współpracującymi

-magistralą sterującą (control bus) po której przez mikroprocesor są przesyłane sygnały określające rodzaj operacji jaką ma wykonać układ współpracujący(np. zapis lub odczyt pamięci)

Jednostka arytmetyczno- logiczna (ALU)

Jednostka arytmetyczno logiczna wykonuje operacje arytmetyczne i logiczne na wektorach informacji cyfrowej. Wielkość (długość słowa i rodzaje operacji) ALU świadczą o mocy obliczeniowej mikroprocesora. Argumenty operacji są przesyłane do ALU przez wewnętrzna magistralę danych. Pracą ALU oraz przesyłaniem argumentów kieruje układ sterowania.

Układ sterowania

Układ sterowania poprzez generację odpowiednich wewnętrznych sygnałów sterujących określa rodzaj operacji wykorzystywanych przez ALU, steruje praca wszystkich rejestrów mikroprocesora, steruje przesyłaniem informacji po wewnętrznej magistrali danych. Wysyła on również sygnały sterujące do urządzeń zewnętrznych, określając rodzaj operacji jaką mają one wykonać.

Podstawowe parametry mikroprocesora

-długość słowa a więc liczba bitów jednostek przetworzonej informacji, w większości przypadków długość słowa jest równa liczbie bitów rejestrów roboczych i magistrali danych

-szybkość działania a więc czas trwania cyklu rozkazowego

-maksymalna pojemność pamięci, jaką można dołączyć do mikroprocesora

-lista rozkazów

-tryby sposoby adresowania pamięci

Etapy wyboru mikroprocesora, bądź mikrokomputera dla projektowanego systemu technicznego

-szczegółowe określenie zadań systemu

-podjęcie decyzji o konstrukcji systemu w oparciu o: mikroprocesor ogólnego zastosowania, mikrokontroler czy układ segmentowy

-określenie odpowiedniej długości słowa

-sformułowanie wymagań sprzętowych, takich jak szybkość działania, pobór mocy i inne

-określenie możliwości wykorzystania własnych i istniejących na rynku standardowych podzespołów elektronicznych

-analiza projektu oprogramowania z uwzględnieniem własnych i zespołowych doświadczeń oraz posiadanych narzędzi uruchomieniowych

-analiza czynników ekonomicznych

Mikrokomputerowe systemy sterowania

-mikrokomputery jednoukładowe występują w postaci układów scalonych zawierają: jednostkę centralną CPU, pamięć ROM lub EPROM w której umieszczony jest program, pamięć robocza programu RAM oraz porty WE/WY typu szeregowego i równoległego

W tej samej strukturze scalonej mogą znaleźć się także liczniki, czasomierze, przetworniki sygnału analogowo- cyfrowe. Przeznaczone są do specjalistycznych zastosowań.

Mikroprocesory ogólnego przeznaczenia- zawierają na ogół podstawowe układy jednostki centralnej, w tym ALU, rejestry robocze i sterujące układy logiczne

System szyn danych i adresowy jest używany do komunikacji w pamięci tej przechowuje się program i dane.

układy segmentowe- w tego typu układach każdy blok funkcjonalny jest budowany z małych fragmentów zwanych segmentami. Jednostka ALU może być składana z pewnej liczby 4-bitowychelementów ALU z których każdy występuje w postaci oddzielnego układu scalonego.

Mikrokomputerowe systemy sterowania

Układy mikroprocesorowe

-mikroprocesory jednoukładowe

-mikroprocesory ogólnego przeznaczenia

-układy segmentowe

Architektura mikrokomputera:

-Podstawowym elementem systemu „mK” jest jednostka procesora centralnego CPU w ramach CPU można wyróżnić dwa podzespoły funkcjonalne. Pierwszy z nich ustala taktowanie sygnałów i steruje sekwencjami działań, podczas gdy drugi wykonuje operacje arytmetyczne
i logiczne na danych

-Kolejnym elementem systemu są bloki pamięci połączone z CPU. Bloki te są wykorzystywane do przechowywania listy wykorzystywanych rozkazów, zwanej programem oraz przetwarzanych danych

-W większości systemów „mK” jedna wspólna pamięć jest stosowana do przechowywania zarówno rozkazów programu jak i danych. Tylko pewne typy mikroprocesorów wymagaja dwu odrębnych pamięci

-Komunikacja z otoczeniem systemu jest utrzymywana za pośrednictwem pewnej liczby urządzeń (portów) wejścia- wyjścia

Magistrala

Transmisja danych pomiędzy elementami systemu „mK” odbywa się w ramach magistrali poprzez szyny. W większości systemów stosowane magistrale składają się z szyn:

-danych

-adresowej

-sterującej

Szyny danych-szynami danych przesyłane są sygnały reprezentujące dane lub rozkazy programu pomiędzy CPU, a pamięcią lub portami wejście- wyjście

Szyna adresowa-szyna adresowa przekazuje sygnał adresowania pamięci, które dokonuje wyboru komórki dołączonej w danym momencie do szyny danych

Szyna sterowania-szyna sterowania przesyła zbiory sygnałów sterujących płynących od i do CPU

Blok sterowania CPU

Blok sterowania CPU zawiera zegar systemowy, logiczne układy sterowania, rejestr zwany licznikiem rozkazów, rejestr adresowy, rejestr rozkazów, stos albo rejestr wskaźnika stosu, oraz pewną ilość układów logicznych obsługi przerwań.

Blok wykonawczy CPU

Podstawowym elementem bloku wykonawczego CPU jest ALU, która wykonuje wszystkie operacje logiczne i działania arytmetyczne zgodnie z rozkazami programu.

Rejestr stanu

Rejestr stanu przechowuje informacje o wyniku wykonywania rozkazu.

Układ WE-WY

Podstawowym urządzeniem wejściowym w systemie „mK” jest klawiatura, zaś urządzeniem wyjściowym SA monitor i drukarka.

Przetworniki sygnału:

-analogowo-cyfrowe:

Na początku przetwarzania wejście układu całkującego jest na poziomie 0. Przyłożenie napięcia na wejście powoduje wolne narastanie napięcia na wyjściu z szybkością zależną od wartości sygnału wyjściowego. Całkowanie odbywa się w czasie określonym z wliczaniem stałej liczby impulsów zegarowych. Czas ten wybiera się tak aby umożliwić pełny zakres pomiarów. Na końcu czasu zliczania zostaje odłączone napięcie wejściowe i przyłożone stałe napięcie wzorcowe o polaryzacji powodującej opadanie napięcia wyjściowego układu całkującego. Napięcie to zmniejsza się ze stałą szybkością określoną wartością napięcia wzorcowego. W tym czasie licznik zlicza impulsy zegarowe startując od zera i w momencie gdy wyjście integratora osiągnie 0, zliczanie zostaje zatrzymane. Wartość zapisana w liczniku jest stosunkiem mierzonego napięcia do napięcia wzorcowego. Odczyt licznika jest wyjściowym sygnałem cyfrowym. Czas przetwarzania układu z podwójnym całkowaniem zależy od pojemności licznika i częstotliwości impulsów zegarowych.

Przetwornik cyfrowo- analogowy- składa się z zespołów kluczy, drabinki oporowej i wzorca napięcia, każdy stopień drabinki dostarcza napięcia różniącego się dwukrotnie od sąsiedniego. Prąd wyjścia
z każdego węzła jest kierowany albo do wejścia wzmacniacza albo do uziemienia, zależnie od stanu kluczy s₁ do s₄ sterowanych wejściowym sygnałem cyfrowym. Klucz s₁ powoduje zależnie od stanu napięcia na wyjściu wzmacniacza V1/2albo OV. Klucze s₂, s₃, s₄ powodują dołączenie napięcia odpowiednio V1/4, V1/8, V1/16. W rezultacie sygnał wyjściowy jest napięciem analogowym proporcjonalnym do wartości liczby binarnej podanej na klucze. Wzorcowe napięcia odniesienia przetwornika dostarczają: wbudowana do układu dioda Zenera, lub zewnętrzne źródło napięcia odniesienia. Stosowane klucze przetwornika stanowią tranzystory sterowane danymi z szyny systemu. Aby napięcie analogowe miało ustaloną wartość dane muszą być podawane w sposób ciągły. Często przetworniki mają rejestr buforowy do którego wpisuje się dane z szyny. Jeżeli takiego bufora nie ma dane muszą być podawane poprzez port równoległy z buforem zatrzaskowych danych. Rozdzielczość wyjścia analogowego zależy od liczby bitów danych sterujących przetwornikiem.
Dynamicznym parametrem przetwornika jest:

- maksymalna szybkość narastania napięcia- tj. szybkość z którą napięcie wyjściowe może się zmieniać,

-czas ustalania- czas, w którym napięcie wyjściowe osiąga wartość 1 bitu wartości końcowej.

Parametry te zależą od zastosowanego przetwornika wzmacniacza.

Schemat blokowy mikrokomputera jednoukładowego:

MIKROKOMPUTER JEDNOUKŁADOWY- jest to kompletny mikrokomputer umieszczony w układzie scalonym i zawiera jednostkę CPU, pamięć programu ROM
o pojemności kilku tys. słów, pamięć danych RAM o pojemności od kilkudziesięciu do kilkuset tys. słów:

- kilka bram WE/WY służących do równoległego przesyłania informacji między CPU
a urządzeniami zewnętrznymi,

- jeden lub kilka liczników- ukł. czasowych

- ukł. szeregowy WE-WY

Mikrokomputery jednoukładowe mogą posiadać WE/WY specjalizowane:

- WE analogowe zaopatrzone w układ wykrywający przejście sygnału danego np. przez 0

- WE sygnału z przetwornikiem AC

- WY przystosowane do dynamicznego sterowania wskaźników cyfrowych i inne.

Podstawowe elementy emulatora to:

-moduł mikroprocesora zastępującego procesor systemu prototypowego

-ukł. sterujący zapewniający możliwość połączenia z mikrokomputerem naczelnym i sterujący pracą mikroprocesora emulującego

analizator stanów logicznych śledzący przebieg wykonania programu i współpracujący z układem sterującym przy realizacji pułapek sprzętowych (zatrzymanie procesora w określonej chwili np. po dojściu do zadanego miejsca programu lub chwili sięgnięcia do określonego obszaru pamięci).

Podstawowe funkcje wykonywane przez emulator:

- ładowanie programu aplikacyjnego do pamięci operacyjnej systemu prototypowego,

- odczytywanie i modyfikowanie zawartości rejestru regulacyjnego, komórek pamięci i rejestrów urządzeń WE/WY w systemie prototypowym,

- rozpoczęcie wykonania programu aplikacyjnego,

- śledzenie przebiegu wykonania programu,

- ustawianie pułapek i krokowe wykonanie programu,

- przerwanie wykonania programu aplikacyjnego
- przejecie sterowania przez program monitora.

W procesie uruchamiania systemu prototypowego emulator może być zastosowany na etapie:
- uruchamiania sprzętu,
- uruchamiania programu,
- integracji sprzętu i oprogramowania.

Norma ICE 61131- 1 określa sterownik programowalny jako cyfrowy system elektroniczny do stosowania w środowisku przemysłowym, który posługuje się pamięcią programowalną do przechowywania zorientowanych na użytkownika instrukcji w celu sterowania przez cyfrowe ub analogowe wej. i wyj.

System SCADA -Zbieranie i przetwarzanie oraz archiwizacja danych pochodzących bezpośrednio z systemów sterownikowych

-opracowywanie raportów dotyczących bieżącego stanu procesu, zużycia materiałów oraz stanu pracy maszyn i urządzeń,

-wizualizacje wartości zmiennych procesowych o różnych formach graficznych,

-generowanie systemów alarmowych związanych z przekroczeniem wartości graficznych,

-wypracowanie danych dla warstw sterowania operatywnego produkcją oraz warstwy zarządzania.

Podział PLC :

Architektura:

-sterowniki kompaktowe

-sterowniki modułowe

Sterowniki modułowe:

-płyta łączeniowa

---