automatizarea instalatiilor v2.2

of 254/254
Sorin Larionescu Automatizarea instalaţiilor Vol. 1 Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti Draft v2.2/2010

Post on 26-Jun-2015

2.525 views

Category:

Documents

46 download

Embed Size (px)

DESCRIPTION

S.Larionescu

TRANSCRIPT

Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor Vol. 1 Universitatea Tehnic de Construcii Bucureti Draft v2.2/2010 CUPRINS 1.INTRODUCERE N TEHNICA AUTOMATELOR ......................................... 9 1.1. ISTORIA SISTEMELOR AUTOMATE ........................................................................ 10 1.2. ISTORIA AUTOMATELOR ...................................................................................... 12 1.3. SISTEME CU CONDUCERE MANUAL ................................................................... 13 1.3.1. Schema tehnologic. ................................................................................... 13 1.3.2. Schema bloc ................................................................................................ 14 1.3.3. Algoritmul de conducere manual ............................................................. 15 1.4. SEMNALE ............................................................................................................ 16 1.4.1. Semnale discrete logice .............................................................................. 16 1.4.2. Semnale continue ........................................................................................ 16 1.4.3. Semnale discrete eantionate ..................................................................... 16 1.5. SISTEME CU AUTOMATE CU CONTACTE I RELEE ................................................. 17 1.5.1. Schema tehnologic cu echipamentul de automatizare ............................. 17 1.5.2. Schema bloc ................................................................................................ 18 1.5.3. Schema desfurat electric ..................................................................... 19 1.5.4. Algoritmul automatului .............................................................................. 19 1.5.5. Simularea funcionrii automatului. .......................................................... 20 1.5.6. Structura sistemului automat. .................................................................... 23 1.5.7. Conducerea de la distan .......................................................................... 23 1.5.8. Intrrile i ieirile automatului .................................................................. 23 1.5.9. Tehnologia de realizare a automatului ...................................................... 24 1.5.10. Referina i eroarea maxim .................................................................... 24 1.5.11. Perioada de oscilaiei ............................................................................... 25 1.5.12. Semnalizarea ............................................................................................ 25 1.5.13. Rolul operatorului .................................................................................... 25 1.6. SISTEME CU AUTOMATE PROGRAMABILE ............................................................ 25 1.6.1. Schema tehnologic cu echipamentul de automatizare ............................. 25 1.6.2. Schema desfurat electric ..................................................................... 26 1.6.3. Programul .................................................................................................. 27 1.7. SISTEME NCORPORATE ....................................................................................... 28 1.7.1. Automate finite implementate cu dispozitive logice programabile ............ 29 1.7.2. Automate finite implementate cu microcontrolere ..................................... 31 Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 3 2.SISTEME LOGICE COMBINAIONALE - SLC .......................................... 32 2.1. CODURI .............................................................................................................. 34 2.2. ANALIZA SISTEMELOR LOGICE COMBINAIONALE ............................................... 36 2.2.1. Sistem logic combinaional tip I ............................................................... 37 2.2.2. Sistem logic combinaional tip SAU ........................................................... 38 2.2.3. Sistem logic combinaional tip NU............................................................. 39 2.2.4. Relaii logice caracteristice sistemelor logice combinaionale ................. 40 2.3. SINTEZA SISTEMELOR LOGICE COMBINAIONALE ................................................ 41 2.3.1. Metoda formei disjunctive canonice........................................................... 41 2.3.2. Metoda diagramei Karnaugh ..................................................................... 44 2.4. TESTAREA SISTEMELOR LOGICE COMBINAIONALE ............................................. 49 2.5. IMPLEMENTAREA SLC CU CIRCUITE ELECTRONICE INTEGRATE ........................... 51 2.6. IMPLEMENTAREA SLC CU CIRCUITE INTEGRATE PE SCAR MEDIE I MARE ......... 53 2.6.1. Codificatorul .............................................................................................. 53 2.6.2. Decodificatorul ........................................................................................... 54 2.6.3. Multiplexorul i demultiplexorul ................................................................ 54 2.6.4. Demultiplexorul .......................................................................................... 55 2.6.5. Memoria numai cu citire ROM .................................................................. 56 2.6.6. Memoria PROM, EPROM i EEPROM ..................................................... 57 2.6.7. Matricea logic programabil PLA ........................................................... 58 2.6.8. Matricea logic programabil PAL ........................................................... 59 2.7. ASPECTE CONSTRUCTIVE ALE SISTEMELOR LOGICE COMBINAIONALE ................ 61 2.7.1. Construcia releului electromagnetic ......................................................... 61 2.7.2. Elemente reale ale sistemelor logice combinaionale ................................ 63 2.7.3. Hazardul combinaional. ............................................................................ 64 2.7.4. SLC pentru aprinderea lmpilor dintr-un coridor lung ............................. 67 2.8. IMPLEMENTAREA SLC CU AUTOMATE PROGRAMABILE ....................................... 69 2.8.1. Tipuri constructive de automate programabile logice ............................... 78 3.SISTEME CU EVENIMENTE DISCRETE..................................................... 81 3.1. MODELAREA SISTEMELOR CU EVENIMENTE DISCRETE ........................................ 82 3.2. DEFINIREA SISTEMELOR DISCRETE LOGICE. ......................................................... 87 3.3. TIPURI DE REELE PETRI. .................................................................................... 88 3.3.1. Reele Petri autonome. ............................................................................... 88 3.3.2. Reele Petri interpretate. ............................................................................ 88 Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 4 3.3.3. Reele Petri temporizate. ............................................................................ 88 3.4. ANALIZA STRUCTURAL A SISTEMELOR CU EVENIMENTE DISCRETE. ................... 89 3.4.1. Structuri tip folosite la modelarea cu reele Petri ...................................... 89 3.4.2. Reele Petri ordinare. ................................................................................. 89 3.4.3. Reele Petri pure. ........................................................................................ 90 3.4.4. Poziia surs sau receptor. ......................................................................... 90 3.4.5. Tranziia validat. ...................................................................................... 90 3.4.6. Tranziia declanat. .................................................................................. 91 3.4.7. Conflictul structural i conflictul efectiv al tranziiilor. ............................ 91 3.4.8. Interblocarea prin interpretare. ................................................................. 92 3.5. ANALIZA COMPORTAMENTAL A SISTEMELOR CU EVENIMENTE DISCRETE. ......... 92 3.5.1. Ecuaia de stare. ......................................................................................... 92 3.5.2. Graful marcajelor accesibile. .................................................................... 93 3.6. PERFORMANELE SISTEMELOR CU EVENIMENTE DISCRETE. ................................. 93 3.6.1. Reversibilitatea ........................................................................................... 94 3.6.2. Mrginirea i sigurana. ............................................................................ 95 3.6.3. Viabilitatea. ................................................................................................ 97 3.7. SISTEME CU EVENIMENTE DISCRETE I EVOLUIE PARALEL. .............................. 98 3.8. AUTOMATUL FINIT. ........................................................................................... 101 3.9. GRAFCETUL. ..................................................................................................... 103 3.9.1. Trecerea de la reeaua Petri la grafcet. ................................................... 103 3.9.2. Etape, tranziii i legturi orientate. ........................................................ 104 3.9.3. Interpretarea tranziiilor. ......................................................................... 105 3.9.4. Interpretarea etapelor. ............................................................................. 105 3.9.5. Reguli de evoluie n grafcet. .................................................................... 106 3.9.6. Structuri folosite la modelarea cu grafcet a sistemelor discrete logice. .. 106 3.9.7. Compararea grafcetului cu reeaua Petri. ............................................... 107 3.10. SINTEZA SISTEMELOR DISCRETE LOGICE. ........................................................ 109 3.11. IMPLEMENTAREA SISTEMELOR DISCRETE LOGICE. ........................................... 110 3.12. AUTOMATE ELEMENTARE CU CONTACTE I RELEU. ......................................... 110 3.12.1. Analiza structural. ................................................................................ 111 3.12.2. Analiza comportamental. ..................................................................... 112 3.12.3. Automatul elementar cu basculare. ........................................................ 113 3.12.4. Automatul elementar cu prioritate la oprire. ......................................... 117 3.12.5. Automatul elementar cu prioritate la pornire. ....................................... 120 Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 5 3.12.6. Automatul elementar cu neschimbarea strii. ........................................ 122 3.12.7. Automatul elementar pentru reglarea bipoziional. ............................. 124 3.13. AUTOMATE ELEMENTARE CU CIRCUITE INTEGRATE ........................................ 127 3.13.1. Bistabilul RS. .......................................................................................... 127 3.13.2. Bistabilele SR i SRC. Sincronizarea. .................................................... 129 3.13.3. Bistabilul SCR Master Slave. .............................................................. 130 3.13.4. Bistabilul JKC. ....................................................................................... 131 3.13.5. Bistabilul D. ........................................................................................... 131 3.13.6. Bistabilul T. ............................................................................................ 132 3.14. PROIECTAREA AUTOMATELOR IMPLEMENTATE CU CONTACTE I RELEE .......... 133 3.14.1. Schema tehnologici schema bloc ...................................................... 133 3.14.2. Caietul de sarcini al automatului ........................................................... 136 3.14.3. Analiza structural i comportamental ................................................ 136 3.14.4. Sinteza automatului cu contacte i relee. ............................................... 137 3.14.5. Implementarea automatului cu contacte i relee. .................................. 140 3.15. PROIECTAREA AUTOMATELOR IMPLEMENTATE CU BISTABILE ......................... 142 3.15.1. Sinteza i implementarea automatului cu bistabile tip D ....................... 142 3.15.2. Sinteza i implementarea automatului cu bistabile JKC. ....................... 145 3.15.3. Problema iniializrii sistemului discret logic. ...................................... 146 3.16. PROIECTAREA AUTOMATELOR IMPLEMENTATE PRIN PROGRAMARE ................ 150 3.16.1. Automate Moore si Mealy sincrone........................................................ 150 3.16.2. Automat programabil cu prelucrare de un bit ....................................... 151 3.16.3. Automate microprogramate ................................................................... 154 3.17. PROIECTAREA AUTOMATELOR IMPLEMENTATE CU AP .................................... 158 3.17.1. Metoda Grafcet ...................................................................................... 158 3.17.2. Metoda listei de instruciuni ................................................................... 159 3.17.3. Metoda schemei desfurate .................................................................. 164 3.17.4. Schema electrica desfurat pentru APL ............................................. 165 3.17.5. Metoda de proiectare pentru APL aplicat la contacte i relee ............ 166 3.17.6. Proiectarea automatelor pentru reele Petri simple. ............................. 168 3.17.7. Proiectarea automatelor folosind automate elementare tip RS ............. 168 3.18. AUTOMATE IMPLEMENTATE N SISTEME NCORPORATE ................................... 169 3.18.1. Sisteme antrenate de timp ...................................................................... 169 3.18.2. Sisteme antrenate de evenimente ............................................................ 169 3.18.3. Sisteme dominate de conducere ............................................................. 170 Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 6 3.18.4. Sisteme dominate de date ....................................................................... 170 3.18.5. Modele pentru specificarea sistemelor ncorporate ............................... 170 3.18.6. Microcontrolerul PIC 12F629/675 ........................................................ 171 3.19. ASPECTE CONSTRUCTIVE ALE AUTOMATELOR CU EVENIMENTE DISCRETE ....... 172 3.19.1. Schema tehnologic cu echipamentul de automatizare ......................... 172 3.19.2. Schema electric desfurat ................................................................. 176 3.20. AUTOMATE PENTRU MOTOARE........................................................................ 181 3.20.1. Alimentarea automatelor pentru motoare .............................................. 181 3.20.2. Automat pentru pornirea direct ............................................................ 182 3.20.3. Automat pentru pornirea stea triunghi................................................... 183 3.21. SUBSISTEME SPECIFICE ALE AUTOMATELOR .................................................... 184 3.21.1. Sisteme de alimentare ............................................................................. 184 3.21.2. Sisteme de achiziie a intrrilor din proces ........................................... 185 3.21.3. Sisteme de conducere automat ............................................................. 185 3.21.4. Sisteme de conducere manual .............................................................. 186 3.21.5. Sisteme de semnalizare automat .......................................................... 186 3.21.6. Sisteme de execuie i de protecie automat ......................................... 187 3.22. APLICAII ....................................................................................................... 187 3.22.1. Automat cu APL pentru motorul reversibil cu iniializare ..................... 188 3.22.2. Automat cu contacte i relee pentru ascensor ........................................ 194 3.22.3. Automat cu APL pentru anclanarea automat a rezervei tehnologice . 202 3.22.4. Programarea aplicatiilor conform cu IEC 61131 .................................. 207 3.22.5. Automat cu APL OATs IEC 61131 pentru banda rulant ...................... 216 3.22.6. Sistem ncorporat cu microcontroler PIC 12F675 ................................ 219 4.SISTEME DE CONDUCERE AUTOMAT N CAZ DE PERICOL ........ 223 4.1. CONCEPTELE SISTEMELOR DE SECURITATE LA EFRACIE I SIGURAN LA FOC225 4.2. CENTRALE DE CONDUCERE N CAZ DE PERICOL ................................................. 228 4.3. TRADUCTOARE PENTRU SISTEME DE SECURITATE LA EFRACIE ......................... 229 4.3.1. Detectoare pasive n infrarou - PIR ....................................................... 229 4.3.2. Monitoare video de micare ..................................................................... 229 4.3.3. Controlere de acces .................................................................................. 230 4.3.4. Sisteme de identificare cu frecven radio ............................................... 233 4.4. TRADUCTOARE PENTRU SISTEME DE SIGURAN LA FOC .................................. 234 4.4.1. Butoane manuale de semnalizare. ............................................................ 236 4.4.2. Detectoare de temperatura ....................................................................... 237 Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 7 4.4.3. Detectoare de fum cu ionizare.................................................................. 239 4.4.4. Detectoare de fum optice .......................................................................... 241 4.4.5. Detectoare de fum fotoelectrice cu obturarea luminii ............................. 241 4.4.6. Detectorare de fum fotoelectrice cu difuzarea luminii ............................. 242 4.4.7. Amplasareadetectoarelor de pericol la incendiu ................................... 243 4.5. SISTEM SIMPLU DE SECURITATE ........................................................................ 247 4.6. SISTEMUL MICROSAM ..................................................................................... 248 5.APLICATII ........................................................................................................ 252 6.BIBLIOGRAFIE ............................................................................................... 253 Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 8 Prefa AcestcursestedestinatstudeniilordelaFacultateadeInstalaiiiodenumiremai riguroasasaarfiSistemedeconducereautomataechipamentelor,instalaiilori serviciilor din locuine i cldiri1. Se foloseste frecvent si denumirile de Sisteme automate sau Automatizarea instalaiilor. Denumirea Sisteme automate reprezint o prescurtare avantajoas si reflect totodat faptul c sistemele automate din cldiri sunt aceleai cu cele din industrie sau alte domenii, diferenele fiind de nuane i accente2. De exemplu, n industrie multe utilaje iechipamentefuncioneazntr-unmediuprietenos,programaticutehnologiialeseastfel nctperturbaiilesfiectmaimici.Cerinelereferitoarelaperformaneifiabilitatesunt foarteridicate.Funcionareainstalaiilordincldiriserealizeazntr-uncontextmaipuin prietenosdeoartecedepindefoartemultdeactivitateazilnicaomuluiiperturbaiile mediului nconjurtor. Pe de alt parte cerinele referitoare la fiabilitate i performane nu sunt tot att de riguroase ca n industrie ceea ce conduce la costuri mai mici. Din aceste motive n automatizareainstalaiilorseimplementeazcelmairepedeultimelenoutidinteoriai tehnologiaconduceriiautomate.Pedealtpartesistemeledeconducereautomatdin transporturiiarmatfuncioneaztotodat,spredeosebiredeceledinindustriesaucldiri, attnmediifoarteneprietenoasecticucondiiistrictereferitoarelaperformanei fiabilitate. Volumul 1 se refera la automatizarea instalaiilor folosind automate discrete logice iar volumul2esteconsacratreglriilorautomatecontinueaproceselordininstalaiilepentru cldiri i locuine. Acestcursprezentatnformelectronic,formatpdf,esteactualizatfrecvent.Din acveast cauz este important versiunea i anul apariiei. 1 La Facultatea de Instalaii este ncetenit denumirea de Automatizarea instalaiilor. Acest nume pune accentul pe aciunea de conducere automat i las n planul doi analiza i proiectarea componentelor sistemelor automate. In englez se folosete: Home and Building Automation 2Deexemplu,sistemeledeconducereautomatdincldirifuncioneaz,spredeosebiredeceledin industrie, mai mult n regim de reglare automat i mai puin n regim de urmrire sau filtrare. Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 9 1.Introducere n tehnica automatelor Noiuneadesistemsereferntotdeaunalaomulimedeobiecte,aciunisauidei aflate n interaciune pentru un anumit scop. In aceast lucrare vom folosi aceast denumire numai n legtur cu o mulime de obiecte fizice. Dac ne referim la obiectele tehnice dintr-o cldire,carempreunasiguranumiteservicii,sistemulmaiestecunoscuti sub numele de instalaie3.Sistemele cu conducere automat, pe scurt sistemele automate4, sunt un tip particular desistemeacrorscopestesfuncionezebine,frinterveniaomului,realizndanumite performanendiferiteregimuridefuncionare:urmrireaunuiprogramsauavariaieiunei valoridereferin,reglareapentrunlturareaperturbaiilor,filtrareazgomotelor,sau insensibilitate la variaia parametrilor procesului condus din instalaie.Printre performanele sistemelor automate menionm pe cele care se refer la blocri, interblocri,repetare,siguran,accesibilitate,stabilitate,eroare,suprareglare,durata procesului tranzitoriu, robustee i optimizare. Sistemeleautomateauelementeistructurispecifice.Unsistemautomattipiceste formatdinurmtoareleelementecomponente:1)elementedeconducere(automate, termostate,presostate,regulatore,controlere,calculatoare,etc),2)elementedeexecuie (servomotoare,pompe,robinete,rezistoare,etc),3)elementedemsurare(traductoare, detectoare), 4) elemente conduse (echipamente, instalatii, procese).Structuraesteformatdinmulimearelaiilordintreelemente.Structuratipica sistemelorautomateoreprezintbuclacareconineolegturinversnegativ(feedback, reacie) de la ieirea la intrarea sistemului.n esen un sistem este automat dac: 1) are o structur de tip feedback negativ i/sau 2) are un mecanism de memorare5.Elementelecomponentealesistemuluiautomatpotfidenaturtermic,hidraulic, electric, mecanic, chimic sau pneumatic.Principalele probleme referitoare la sistemele automate sunt: analiza, sinteza, testarea, optimizarea, identificarea i proiectarea.Scopulsistemelorautomateprezentatencontinuarelconstitueconducerea, semnalizarea,protecia,alarmareaioptimizareaperformanelorreferitoarelaconfort, consum de energie i material, pericole i sensibilitatea la defeciuni.Concepteleimetodelesistemelorautomatevorfiprezentatencontinuarepescurt plecnd de la sistemele cu conducere manuala. 3Noiuneadesistemesteutilizatntr-uncadrumailarg.Sepoatefolosi,deexemplu,termenulde sistemdenclziresauechivalentulsuinstalaiedenclzire.Termenulsistemdetransportnuarens echivalent.4 Instalaiile automate. 5 Memorarea poate fi realizat prin mai multe metode, una dintre ele fiind metoda feedbackului pozitiv. Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 10 1.1. Istoria sistemelor automate Rzboiuldeesutcucarteleperforate,primulsistemdeconducereautomatcu evenimente discrete, a fost inventat de Joseph-Marie Charles Jacquard n 1800.Primulsistemdereglareautomat,nsensmodern,afolositregulatorulmecanic centrifugal al lui James Watt (1769) prezentat n Fig. 1.1.1. Acest aparat regla automat viteza unei maini cu aburi cu ajutorul unui robinet de reglare a debitului de abur. Creterea vitezei mainii cu aburi provoca ridicarea bilelor datorit forei centrifuge. Are loc o reacie negativ care nchide robinetul aducnd viteza la valoarea dorit de referin. Acest tip de regulator este folositiastzi.AnalizafcutdeClarkMaxwellacestuisistemn1868aconduslaprimul criteriu de stabilitate a sistemelor care solicita prezena polilor sistemului cu bucla nchis n semiplanul stng.Fig. 1.1.1 Regulatorul centrifugal al lui Watt. Termostatulcubimetalafostinventat6n1885.HaroldStephenBlack7ainventatn 1923primulamplificatorelectroniccureacienegativiar Hendrik Wade Bode a pus bazele teorieisistemelorcureacie.naniiceluidealdoilearzboimondials-ainventatpilotul automat8, servo - sistemele de urmrire a poziiei pentru nave i tunuri, regulatorul PID i s-a introdus metoda de analiz bazat pe modelele funcionale9 i criteriul de stabilitate Nyquist. MetodaloculuirdciniloraluiEvansaaprutnaniidedup1950odatcuconducerea optimaliconducereaadaptiv.Conducereanumericdirect10imodelecuvariabilede stareaufostfolositencepndcuanii1960.ntreanii1970i1980auaprutsistemelede 6 Inventatorul a fost Al Butz care a pus bazele companiei Honeywell 7 De la American Telephone and Telegraph. Acordarea brevetului de invenie a durat nou ani deoarece specialitii nu credeau c sistemul funcionaz. 8 Primul pilot automat inventat de Honeywell a fost produs n peste 110000 exemplare. 9 Modele caracterizate de funcia de transfer. 10 DDC - Direct digital control. Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 11 conducerecumicrocalculatoare,cuautomateprogramabilelogice,sistemeledeconducere distribuite11 i tehnologia de autoacordare i acordare a regulatoarelor. Sistemelediscretentimpsuntntlnitennumeroasedomeniitiinificeitehnice: electronic,automatic,informatic,lingvistic,biologie,filozofie,matematicilogic. Dintrenumeroaselemodelealesistemelordiscrete,uneledintrecelemaifolositenprezent sunt: -automatele finite, -reelele Petrii, -grafcetul (SFC sequential function chart). Automatulfinitesteunmodelsistemicformatdintr-unnumrfinitdestari,tranziii ntrestariiaciuni.Studiulautomatuluifinitpoatefirealizatcuajutorulunorrelaii matematice, a unei tabele de stare sau al unui graf numit diagram de stare. Dou realizri ale automatului finit sunt: -automatul Moore, -automatul Mealy. ReeauaPetriesteungrafcarepoatemodelasistememaicomplexedectautomatul finit. Se poate definii sutomatul finit drept o reea Petri particular. GrafcetulesteoreeaPetriconform.Acestmodelestefolositpentruautomatele programabile. UnsistemdiscretmaicomplexdecatautomatulfinitsaureeauaPetriestemaina Turing care st la baza construciei calculatoarelor. Masina Turing este n esen un automat finit care poate comunica cu un mediu extern de memorare. ncontinuaresevastudianumaifolosireaautomatelorncadrulsistemelorde conducere automat i a sistemelor informatice. Se va considera implementarea cu: -contacte i relee, -automate programabile, -circuite electronice integrate si circuite programabile, -microcalculatoare. Noiuneadesistemsereferntotdeaunalaomulimedeobiecte,aciunisauidei aflateninteraciunepentruunanumitscop.Inaceastlucrarevomfolosiaceast denumirenumainlegturcuomulimedeobiectefizice.Dacnereferimlaobiectele tehnicedintr-ocldire,carempreunasiguranumiteservicii,sistemulmai este cunoscut i sub numele de instalaie12. 11 Primul sistem a fost elaborat de firma Honeywell 12Noiuneadesistemesteutilizatntr-uncadrumailarg.Sepoatefolosi,deexemplu,termenulde sistemdenclziresauechivalentulsuinstalaiedenclzire.Termenulsistemdetransportnuarens echivalent.Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 12 Sistemele cu conducere automat, pe scurt sistemele automate13, sunt un tip particular desistemeacrorscopestesfuncionezebine,frinterveniaomului,realizndanumite performane n diferite regimuri de funcionare: urmrireaunui program sau a variaiei unei valoridereferin,reglareapentrunlturareaperturbaiilor,filtrareazgomotelor,sau insensibilitate la variaia parametrilor procesului condus din instalaie.Printre performanele sistemelor automate menionm pe cele care se refer la blocri, interblocri,repetare,siguran,accesibilitate,stabilitate,eroare,suprareglare,durata procesului tranzitoriu, robustee i optimizare. Sistemeleautomateauelementeistructurispecifice.Un sistem automat tipic este formatdinurmtoareleelementecomponente:1)elementedeconducere(automate, termostate,presostate,regulatore,controlere,calculatoare,etc),2)elementedeexecuie (servomotoare,pompe,robinete,rezistoare,etc),3)elementedemsurare(traductoare, detectoare), 4) elemente conduse (echipamente, instalatii, procese).Structuraesteformatdinmulimearelaiilordintreelemente.Structuratipica sistemelorautomateoreprezintbuclacareconineolegturinversnegativ(feedback, reacie) de la ieirea la intrarea sistemului.n esen un sistem este automat dac: 1) are o structur de tip feedback negativ i/sau 2) are un mecanism de memorare14.Elementelecomponentealesistemuluiautomatpotfidenaturtermic,hidraulic, electric, mecanic, chimic sau pneumatic.Principalele probleme referitoare la sistemele automate sunt: analiza, sinteza, testarea, optimizarea, identificarea i proiectarea.Scopulsistemelorautomateprezentatencontinuarelconstitueconducerea, semnalizarea,protecia,alarmareaioptimizareaperformanelorreferitoarelaconfort, consum de energie i material, pericole i sensibilitatea la defeciuni.Concepteleimetodelesistemelorautomatevorfiprezentatencontinuarepescurt plecnd de la sistemele cu conducere manuala. 1.2. Istoria automatelor Cteva repere istorice referitoare la automate sunt prezentate n continuare. Primulautomatprogramabilafostrealizatnsecolulal13-leadectrearabiiera formatdintr-ocorabiecupatrumuzicianicareputeaucntadiferitemelodiipebazaunui mecanism format dintr-un tambur i came. Rzboiuldeesutcucarteleperforate,primulsistemdeconducereautomatcu evenimente discrete, a fost inventat de Joseph-Marie Charles Jacquard n 1800. George Boole reprezint logica sub form matematic n 1847. 13 Instalaiile automate. 14 Memorarea poate fi realizat prin mai multe metode, una dintre ele fiind metoda feedbackului pozitiv. Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 13 n1903NicolaTesla,uniugoslavcarelucrapentruThomasEdison,apatentat circuitele logice electrice, numite pori sau comutatoare. Alan Turing a publicat n 1936 un articol n care descria maina Turing. Studiiintensiveasupraautomatelorfinite,uneoricunoscutesubnumeledemaini secveniale, au fost efectuate n anii 1950. Carl Adam Petri a elaborat modelul sau pentru sistemele discrete n 1962. ntreanii1970i1980auaprutsistemeledeconducerecumicrocalculatoare,cu automate programabile i sistemele de conducere distribuite15. 1.3. Sisteme cu conducere manual Celemaisimplesistemecuconducereautomatreproducmoduldeconducere manual.Vomprezentaunexemplusimpluipentrudescriereaacestuiavomfolosi principalele concepte folosite la sistemele automate:schema tehnologic cu echipamentul de automatizare, schema bloc i algoritmul de conducere. 1.3.1. Schema tehnologic. Sconsidermunsistemdenclzireaapeimenajeredintr-ocldire.Reprezentarea obiectelorcomponentesefacecuajutorul unui desensimplificat numit schem tehnologic, canFig.1.2.nacestcazinstalaiaestecompusdinmaimulteobiectetehnice:pompaP, rezervorul, rezistorul de nclzire R, termometrul Z, rigla M1 de msur a nivelului, contactul S1dealimentarealrezistoruluiirobineteleV1iV2.Eleformeazunsistemdeoarece interacioneaz ntr-un anumit scop: obinerea apei calde.Fig. 1.2aSchema tehnologic a sistemului (instalaiei) de nclzire a apei menajere. Ininstalaieexistprocesedenaturfizicdiferit:hidraulic,termic,electrici mecanic. Din aceast cauz la proiectarea instalaiei se definesc sisteme separate, mai simple dectceldinFig.1.2.Deexemplu,sistemultermicpoatecuprindenumaitreiobiecte: rezistorul de nclzire, termometrul i rezervorul. 15 Primul sistem a fost elaborat de firma Honeywell V2ES1V1PmRziyM13210rpSorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 14 1.3.2. Schema bloc InstalaiadinFig.1.2estecondusmanual.Operatorulobservtemperaturazi nivelul y al apei i acioneazbutonul de nclzire S1 i robinetul V1 pentru a obine valorile dorite.DinpunctuldevederealconduceriiinstalaieitoateamnunteledinFig.1.2nusunt necesare.Serenunlaeleisedefineteunsistemdeconduceremanualsubformaunei scheme bloc ca n Fig. 1.3. Sistemul are n cazul acesta o singur component denumit bloc. Acestaesteocutieneagr16careascundeamnunteledinFig.1.2ipunenevidennumai intrrile i ieirile sistemului. Dac se poate considera c fiecare intrare influeneaz numai o singur ieire17 atunci se poate defini o schem bloc pentru sistemul de conducere a nivelului prezentatnFig.1.4cuosingurintraremiosingurieirey.Seobservnaceastac bloculserefernumailaprocesulhidraulicdeumplerealinstalaieiinucuprindetoate componentelesistemuluidinFig.1.2careincludeinclzireaapei.Schematehnologic corespunztoare este prezentat n Fig. 1.5. Sistemele cu o intrare i o ieire18 vor fi singurele care vor fi luate n considerare n continuate Fig. 1.3 Schema bloc a sistemului de conducere manual pentru instalaia de nclzire. 16 Black box. 17Inrealitatefiecareintrareinflueneazambeleieiri.Deexempludebitulminflueneazntr-o oarecare msur i temperatura z, nu numai nivelul y. 18 SISO Single Input Single Output Bloc(cutie neagra)miyzSorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 15 1.3.3. Algoritmul de conducere manual ConducereamanualaprocesuluideumpleredininstalaiadinFig.1.5sefacein modul urmtor. Operatorul observ pe rigla M1 valoarea actual y i valorile dorite (referine) m (valoarea minim) i M (valoarea maxim) a nivelului n rezervor. Pentru situaia din Fig. 1.5seobiney=3,m=1,iM=3.Operatorulfacectevacomparaiilogiceinfunciede rezultatele obinute execut cteva aciuni. n cuvinte obinuite comportarea operatorului este urmtoarea: dac nivelul este mai mare dect nivelul maxim M nchide robinetul V1 iar dac nivelul este mai mic dect nivelul minim m deschide robinetul V1. Robinetul V1 este normal nchis.DeschiderealuisefacecuajutorulelectromagnetuluiS1prinacionareacontactului u19. Fig. 1.4 Schema bloc a sistemului de conducere manual a nivelului din instalaia de nclzire. Fig. 1.5 Schema tehnologic a sistemului pentru reglarea manual a nivelului. 19 Regulator manual. Procesm yV2PmyM1S1u3210minMaxSorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 16 1.4. Semnale Legturadintreelementelecomponentealesistemelordeconducereautomateseface prin intermediul semnalelor. 1.4.1. Semnale discrete logice Semnalelediscretelogiceaunumaidouvalori:adevrat(valoarealogic1)ifals (valoarealogic0)ipotfirealizatefizicndiferitevariante,deexemplucuajutorul contactelor i releelor care au dou stri: acionat i neacionat 1.4.2. Semnale continue Semnalele continue au o variaie continu n timp de tip periodic, impuls sau aleatoriu. Semnalul treapt unitar, semnalul ramp unitar sau semnalul sinusoidal sunt semnale de tip continuu 1.4.3. Semnale discrete eantionate Sistemeledeconducerecucalculatoarefolosescsemnaleeantionatentimpcuo perioada constant. Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 17 1.5. Sisteme cu automate cu contacte i relee Operaiile efectuate de operatorul din Fig. 1.5 sunt n esen urmtoarele: 1)Msurarea nivelului, 2)Realizarea algoritmului de conducere, 3)Execuia comenzii. Lista 1.1 Algoritmul pentru reglarea manual. 1.5.1. Schema tehnologic cu echipamentul de automatizare Instalaiancarenivelulrezervoruluiestereglatautomatesteprezentatcuajutorul schemeitehnologicedinFig.1.6.Msurareaniveluluiesterealizatdeuntraductorformat dintr-unplutitoriuncontactnormalnchiscumemoraremecanic.Atuncicndnivelul creteipalpatorulaacioneazcontactulildeschide.Motorulpompeiseoprete.Dac nivelulscadedestuldemultpalpatorulbacioneazcontactulilnchide.Atuncicnd nivelulseaflntreacestedoupoziiiautomatulmemoreazultimavaloare(acionat, neacionat)acontactului.Contasctulcomandelemetuldeexecuieformatdinmotorul electric M i pompa.Instalaiileautomatizatesuntreprezentatesimplificatcuajutorulschemeitehnologice cuechipamentuldeautomatizare.Unexempludeschemtehnologiccuechipamentulde automatizare este prezentat n din Fig. 1.7. Aparatele sunt prezentate n schema tehnologic cu echipamentul de automatizare din Fig.1.7subformaunorcercurinumerotatedela1la3.Tipulfiecruiaparatestespecificat Se aplic una dintre regulile: Regula 1: Dac (y>Max)=Adevrat, atunci (k=acionat)=Fals, adic se las nchis robinetul V1. Regula 2: Daca (y>min)=Fals, atunci (k=acionat)=Adevrat, adic se deschide robinetul V1. Regula 3: Daca (y>min) I NU(y>Max)=Adevrat, atunci se repet aciunea precedent. Pentru a putea face aceasta se memoreaz de fiecare dat valoarea variabilei logice (k=acionat) i deci se tie care a fost ultima aciune de deschidere sau nchidere a robinetului V1. Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 18 deasupranumruluiaparatuluisubformaunuigrupdedoulitere20.PrimaliteresteLi indic faptul c toate aparatele sunt destinate conducerii nivelului (n englez level)21. A doua iatreialiterindicfunciuneaaparatului.Aparatul1areliteraTcareindicfunciade transmisieladistan,aparatul2areliteraK,adicesteostaiedecomandcucontactei releeiliteraApentrufunciuneadesemnalizare,iaraparatul3esteunelementdeexecuie deoarece are litera Z n poziia a doua22. Cercurile cu o linie orizontal indic aparate montate ncameradecomand,deexemplucelcunumrul3,iarcercurilefrlinieorizontal desemneazaparatemontatepeinstalaie,cumestetraductoruldenivelcunumrul1,Fig. 1.7.Distanadintrelocurilencaresuntmontateaparatele1i2poatefimare,nedepind ns 1000 metri. 1.5.2. Schema bloc O alt form de prezentare a sistemului automat din Fig. 1.7 este schema bloc din Fig. 1.9. Dac blocurile din schema tehnologic prezentate sub form de cercuri reprezint aparate distincteconstructiv,dreptunghiuriledinschemabloccolecteaztoateaparatelecuaceiai funciune.Deexemplu,amplificatorul3ielectromagnetulS1dinschematehnologicsunt prezentatesubformaunuisingurblocnFig.1.9:elementuldeexecuie.Operatoruldin schema bloc introduce referina sistemului automat, adic valorile dorite pentru nivelul maxim i nivelul minim. Fig. 1.6 Schema tehnologic pentru reglarea automat anivelului folosind drept element de executie o pomp. 20 STAS 6755-81. 21Alteliterefrecventntrebuinatesunturmtoarele:B-flacr,E-tensiuneelectric,F-debit,H-acionare manual, K-timp sau program,L-nivel, M-umiditate, O-semnificaie la alegere, P-presiune, Q-cantitate,S-vitez sau frecven,T-temperatur, W-greutate sau for, Z-poziie. 22Altesemnificaiialelitereidinpoziiaadouacareindicfunciuneaaparatuluisunt:A-alarm,C-reglare, E-element primar al traductorului, I-indicare, L-lamp pilot, N-semnificaie la alegere, R-nregistrare, Z-element de execuie. V2yPlutitorrmM230 VabSorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 19 1.5.3. Schema desfurat electric Inginerul automatist trebuie s proiecteze automatul 2 din Fig. 1.7. O pies important a proiectului este schema desfurat electric cu contacte i relee. O variant simplificat este prezentatnFig.1.8.Schemaareformauneiscri23culcatencaretreptelereprezint circuitenumerotateiconectatentrebareledealimentarecutensiuneelectric.Deexemplu n circuitul 10 se gsete bobina releului K i contactul normal nchis a. Diagrama de contacte a releului desenat sub numrul circuitului arat c acesta are dou contacte normal deschise, unul situat n circuitul 20 iar altul n circuitul 3024. In circuitul 30 al schemei apare contactorul K1. Acesta este unreleu de for, cu rol de amplificare a curentului furnizat de automat astfel nctacestasaibovaloaresuficientdemarepentruacionareaelectromagnetuluiS1din circuitul 40. Semnalizarea umplerii rezervorului este fcut de lampa H1 din circuitul 50. Fig. 1.7 Schema tehnologic cu echipamentul de automatizarea a sistemului cu automat cu contacte i relee pentru reglarea nivelului si element de executie pompa. 1.5.4. Algoritmul automatului noriceprezentaretehnicaunuisistemautomattrebuiesseindicealgoritmulde conducere.Existfoartemultemodurincarepoateficondusoinstalaie.Dinmotive practice se prefer de cele mai multe ori cteva variante de algoritm clasice. n cazul de fa, algoritmulprezentatnLista1.1pentruconducereamanualiaplicatilaconducerea automatestedetipautomatsecvenialbipoziional25,sauprescurtattip2P.Potrivitacestui algoritminstalaiaautomatsegsetenumaindoupoziii26:umpleresaugolire. 23 Ladder network, n englez. 24DetaliiprivindntocmireaschemelordesfurateelectricenIEC1082-1(decembrie1982),STAS 7070-74 i manualele de proiectare a instalaiilor de automatizare. 25 Mai exact bipoziional cu histerezis de lime 2h = Max - min. 26 Stri. Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 20 Conductorul manual sau automat basculeaz sistemul ntre aceste poziii astfel nct nivelul s se menin ntre limitele min i Max.1.5.5. Simularea funcionrii automatului. Descriereafuncionriisistemuluiautomatpoatefifcutnmultefeluri,dintrecare menionm:cuajutorulformulelor,aprogramelorpecalculatorsauprincuvintecuajutorul uneisimulriintuitivenimaginaie27.Ultimavariantestepreferattehnicienilorde ntreinereaautomatelorcucontacteirelee.Sexemplificmaceastmetoddesimulare pentru sistemul automat descris de Fig. 1.7 i Fig. 1.8. Simularea pornete cu sistemul avnd condiii iniiale zero, adic rezervorul este gol i toat instalaia nu este alimentat cu energie electric. Sealimenteazinstalaiacuenergieelectric.PompaPporneteitraductorul, automatul i elementul de execuie intr n funciune. Traductorul msoar nivelul n rezervor. El are doi electrozi montai la nivelul min i nivelulMax,Fig.1.7.nmomentulncareapaacoperelectrodulminapareuncurentntre acestaifundulrezervorului28careacioneazcontactula.Asemntor,atuncicndapa acoper electrodul Max se acioneaz contactul b.n situaia existent la nceputul simulrii pompa abia a pornit, nivelul y este mai mic dect m i nici un contact a sau b nu este acionat. Automatul primete semnalele a i b sub form de contacte i n funcie de valoarea lor trimite o comand elementului de execuie. n situaia iniial nici un contact nu este acionat inschemadinFig.1.8sepetrecmaimulteaciuni.Delaborna+24Vatensiuniide alimentarecirculuncurentprincircuitul10deoarececontactula,normalnchis,nueste acionat29.ReleulKiacioneaztoatecontactelesalesituate,conformdiagrameide contacte, n circuitele, 20, 30 i 50. Contactorul K1 acioneaz i lampa H1 se aprinde semnaliznd umplerea rezervorului. ContactulluiK1dincircuitul40seacioneaz,decifiindnormaldeschissenchidei electromagnetul S1 intr n funciune deschiznd robinetul V1. Rezervorul ncepe s se umple i nivelul crete. La un moment dat apa acoper electrodul min al traductorului, deci y>min, i contactul a este acionat. Fiind normal nchis contactul a se deschide. 27Din pcateaceastmetodnu mai este utiln cazul sistemelor automate mai complicate descrise n continuare. n aceste cazuri sistemul este descris cu ajutorul funciilor de transfer sau a programelor de simulare pe calculator. 28 Rezervorul este metalic, altfel se monteaz un electrod suplimentar la fundul su. 29 Traseul curentului este urmtorul: borna +24V, contactul a, bobina releului K, borna 24V.Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 21 Fig. 1.8 Schema desfurat electric simplificat pentru automatul 2, elementul de execuie 3 i electromagnetul S1 din Fig. 1.7. Apare o nou situaie pentru automat pe care acest trebuie s o interpreteze. Circuitul 10princareafostatrasreleulKsentrerupedatoritdeschideriicontactuluia.Cutoate acesteareleulKrmneacionat prin circuitul 20 datorit faptului c contactul k este nchis. Ne reamintim c acest contact a fost nchis la pornirea instalaiei cnd releul K s-a atras prin circuitul 10. Acum, cnd acest circuit s-a ntrerupt contactul k din circuitul 20 menine releul atras.Tehnicieniinumescacestcontactdeautomeninere.Observmcreleulimenine singurstareaprecedentcuajutorulcontactuluisudeautomeninere.DeoareceKrmne atras nu se schimb nimic din funcionarea instalaiei i nivelul crete n continuare. Ladepireanivelului maxim Max se acioneaz contactul b care fiind normal nchis ncircuitul20sedeschide.naceastsituaiereleulKestenumaiesteacionatdeoarece ambelecircuite1020suntntrerupte.nconsecinK1iS1numaisuntacionatei robinetul V1 este nchis iar lampa H1 nu mai lumineaz. Nivelul ncepe s scad. La un moment dat nivelul scade sub valoarea maxim Max i contactul b nu mai este acionat.ncircuitul20contactulbrevinenpoziiadenormalnchis,darreleulKnueste acionatdeoarececontactulsukdinacelaicircuitestedeschismemorndsituaiasa anterioar. Robinetul V1 rmne n continuare nchis i nivelul continu s scad. K1akbkK10 203020Automat Amplificator30+24V-24VS1k1405040H1kElectromagnet Semnalizator50Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 22 Fig. 1.9 Schema bloc a sistemului cu automat cu contacte i relee din Fig. 1.7 Micorareaniveluluisubvaloareamindatdepoziiaelectroduluitraductoruluide nivelconducelaneacionareacontactuluia,normalnchis,ireconstituireacircuitului10de alimentareabobineireleuluiK.CaurmareK1iS1suntacionateiarrobinetulV1este deschis i lampa H1 lumineaz. Ciclul de funcionare se reia. Fig. 1.10 Variant a sistemului automat din Fig. 1.7. AceastaestesimulareanimaginaieafuncionriisistemuluidinFig.1.7pentru reglarea automat a nivelului. Dei este intuitiv i simplu de efectuat aceast simulare nu ia n considerare toate situaiile posibile n funcionarea instalaiei. S presupunem, de exemplu, c se oprete alimentarea cu energie electric a instalaiei datorit unei avarii. Nivelul apei n rezervor este cuprins ntre valoarea min i Max a poziiei electrozilor traductorului. n aceast situaie,la funcionarea normal sistemul i menine prin contactul de memorare k, circuitul 20Fig.1.8,stareaanterioardefuncionare.Cualtecuvinte,dacrobinetuleradeschis rmne deschis iar dac era nchis rmne nchis. n aceast stare de avarie robinetul V1 este ntotdeaunanchisirezervorulsegoletepncndnivelulscadesubvaloareama electrodului traductorului de nivel. Din acest moment se reia ciclul normal de funcionare. AutomatTraductorabkyyMaxminmProcesEl ementexecuti eV2PmS1LKA2yLT1MaxminV1abLZ3kk1Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 23 1.5.6. Structura sistemului automat. InstalaiadinFig.1.7esteautomatizatspredeosebiredeinstalaiadinFig.1.5care estecondusmanual.Unsistemautomatestecaracterizatprinprezenamemorieisaua legturiinverse(feedback,reacie)30.Infelulacestaelevolueazntimpframaifi necesarinterveniaomului.PentruautomatulcucontacteireleudinFig.1.8memorarea striiprecedenteainstalaieiesterealizatcuajutorulcontactuluideautomeninerekcare reprezint tot o legtur invers de la ieirea releului la intrarea sa. Legtura invers dinFig. 1.7 urmeaz urmtorul drum: ieirea y (nivelul msurat n metrii) a procesului reglat automat dininstalaie,aparatul1(traductorul),aparatul2(automatul),aparatul3(elementulde execuie),electromagnetulS1,robinetulV1iintrareau(debitulmsuratnm3/h)a procesului. Ea poate fi observat mai bine n schema bloc a sistemului automat din Fig. 1.9. n limbajingineresclegturainversestecaracterizatprinexistenauneibucle. Aparatele care facpartedintr-obuclsedistinguornschematehnologicdeoareceausimbolulde identificarecuaceiaiprimliter.Deexemplu,nFig.1.7existobucldereglarea nivelului iar simbolul celor trei aparate ncepe cu litera L. 1.5.7. Conducerea de la distan Oaltcaracteristicimportantasistemelorautomate,neobligatoriedarfrecvent ntlnit, o constitue conducerea procesului de la o distan cuprins ntre civa metri i 1000 metri. i instalaia automat din Fig. 1.7 posed aceast caracteristic deoarece aparatele 1 i 3 sunt montate pe instalaie iar aparatul 2, automatul cu contacte i releu, este montat n camera de comand31 deoarece simbolul su are o bar orizontal.1.5.8. Intrrile i ieirile automatului Semnalelecucareaparateledeautomatizarecomunicntreelereprezinto caracteristic foarte important. Natura lor fizic i tipul lor influeneaz rapiditatea sistemului automat,distanadelacaresepoatefaceconducereasistemuluiitipulaparatelorde automatizarefolosite.DinFig.1.8iFig.1.9rezultcintrrileiieirileautomatuluisunt semnale de tip contact. Distana la care pot fi transmise aceste semnale este de ordinul zecilor de metrii. 30 Termenul de feedback reprezint denumirea englez a legturii inverse specifice sistemelor automate iestefolositdeseoricaatareinlimbaromn.Termenuldereaciepentrulegturainversesteinspiratdin limba francez i este folosit mai ales n electronic. 31 Faptul c este montat n camera de comand rezult din prezena unei liniintre simbolul i numrul su. Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 24 1.5.9. Tehnologia de realizare a automatului Modulncareesteimplementatautomatulinflueneazputernicmultecaracteristici tehnice i economice ale sistemului automat. Automatul dinFig. 1.8 este realizat cu contacte ireleu.Aceasttehnologieafostincmaiestefoarterspnditlarealizareasistemelor automatemiciiieftine.Existaomareexperienndomeniulacesteitehnologii,acumulat peparcursulzecilordeanidefolosin.Sistemeleautomaterealizatecuajutoruleisunt robuste, ieftine, pot funciona n medii ostile, sunt puin sensibile la perturbaii, pot fi realizate ntr-unnumrmaredevariantecaresseadaptezelaprocesefoartediferiteipotfi ntreinute uor de un personal cu o calificare nu prea nalt. De exemplu, automatul din figura Fig.1.8sepoateadaptafoarteuorlaoaltschemtehnologic,prezentatnFig.1.10,n care elementul de execuie este un robinet acionat de un electromagnet. 1.5.10. Referina i eroarea maxim Se poate defini o valoare medie a nivelului numit referin: (1.1) i eroarea maxim (1.2) sau eroarea maxim procentual (1.3) 2min +=Maxw2minmax=Maxeminminmax+=MaxMaxweSorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 25 1.5.11. Perioada de oscilaiei O alt performan a sistemului automat o constitue perioada T0 de umplere i golire a rezervorului.Evident,cucteroareaeestemaimiccuattvaloareayaniveluluiestemai constant i mai apropiat de referina w, dar manevrele de umplere-golire sunt mai repetate, adic T0 este mic. n multe situaii se alege eroarea e astfel nct T0 > 10 minute. 1.5.12. Semnalizarea nafardemeninereaconstantaniveluluinrezervor32automatelesemnalizeaz operatoruluiiapariiadiferitorevenimentedoriteinedoritenfuncionareainstalaiei.n acestexemplusimplusesemnalizeazaciuneadeumplerearezervoruluiprinintermediul lmpii H1 din circuitul 50 al schemei din Fig. 1.8. 1.5.13. Rolul operatorului n sfrit, se observ ca la sistemele cu automat cu contacte i releu din Fig. 1.7 i Fig. 1.10operatorulestetotuiprezent.Rolulsus-aredusnsnumailafixareanivelelorde referinMaximin.Dinpcateschimbareaniveluluidereferinconstnmontarea electrozilortraductoruluiperezervorladistanediferiteideciconducereainstalaieidela distannuesteposibilntotalitate.Aceastaesteodeficienmajorainstalaieicare folosete pentru reglarea nivelului un automat cu contacte i releu. 1.6.Sisteme cu automate programabile Automatul cu contacte i releu din Fig. 1.7 i Fig. 1.8 poate fi nlocuit foarte uor, fr ca funcionarea i performanele s se modifice, cu un AP Automat Programabil33. 1.6.1. Schema tehnologic cu echipamentul de automatizare n noua schem tehnologic cu echipamentul de automatizare din Fig. 1.11 automatul programabillogicaparereprezentatsubformaunuihexagon.Schimbareapareminor,n realitate blocul cu numrul 2 nu mai cuprinde un releu i cteva contacte ca n Fig. 1.7, ci un adevratmicrocalculatorspecializatpentruoperareacuvariabilelogice.Spredeosebirede calculatoareletipPCautomateleprogramabilesuntproiectateiconstruitesfuncioneze sigurntr-unmediuostil,plindeperturbaii.Dinaceastcauzautomateleprogramabile logice sunt relativ scumpe. 32 n acest caz nivelul este meninut ntre dou limite Max i min. 33 In englez PLC Programmable Logic Controller. Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 26 Fig. 1.11 Sistem cu automat programabil logic. Din aceast cauz se consider c este rentabil s nlocuieti cu un APL un automatcu contacte i relee numai dac acest conine mai multe relee34. 1.6.2. Schema desfurat electric Schema desfurat electric simplificat a sistemului35 cu APL este prezentat n Fig. 1.12.FadevariantacucontacteireleudinFig.1.8modificrilesuntminimeisunt efectuatenumaidinmotiveconstructive.AstfelAPLareintrriiieiripentrusemnaletip contact. Deci la ieirea sa apare un singur contact. Dar acest semnal trebuie s acioneze att amplificatoruldeputereformatdincontactorulK1delacircuitul30,ctilampade semnalizare H1 din circuitul 50. Exist mai multe soluii. Se poate folosi un releu intermediar cusingurafunciunedemultiplicatordecontacte.Acestaartransformacontactulkdin circuitul 20 n alte dou contacte care ar pute fi folosite n circuitele 30 i 50. O alt soluie ar consta n folosirea a dou variabile de ieire a APL care iau ntotdeauna aceiai valoare logic egalcuk.nsfrit,sepoatesemnaliza,aacums-afcutnFig.1.12,acionarea contactorului K1 care comand electromagnetul S1 i care la rndul su deschide robinetul de umplere a rezervorului. Automateleprogramabilelogicesuntfolositepescarlargnprezent,nspecialn industrieiinstalaiilepentrucldirimari.Unelesistemedeproteciempotrivaincendiilor, sau a furtului sunt de fapt tot automate programabile logice specializate. 34 Automatul din Fig. 1.8 conine numai un releu i este evident c nu este avantajoas nlocuirea lui cu un APL. 35 Instalaiei. V2PmS1yLT1Max uV1abLZ3minLKA2Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 27 Fig. 1.12 Schema desfurat electric simplificat pentru un sistem cu automat programabil logic 1.6.3. Programul AlgoritmulunuisistemcuAPLesteprezentatsubformdeprogram.Proiectarea automatuluiprogramabillogicconstnacestcaz,ntr-omaremsur,nelaborarea programuluiAPL.Aceastproiectarepoatefiasistatdecalculatorcareelaboreazautomat programulpebazaschemeidesfurateelecticeechivalentebazatepecontacteirelee.n cazul nostru trebuie s se introduc, eventual sub form grafic, schema format din circuitele 10 i 20 din Fig. 1.8. K1a bk20AutomatProgramabil LogicAmplificator30+24V-24VS1k14040H1k1Electromagnet Semnalizator505030APLkSorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 28 1.7. Sisteme ncorporate Sistemelencorporate36suntsistemeinformaticeparticularencaremodeleledetip automatsauprocesordesemnal,implementatendiferitevariante,suntncapsulatentr-un produs mai mare pe care l controleaz. Spre deosebire de sistemele informatice generale care pot fi programate de catre utilizator n scopuri foarte variate, sistemele ncorporate realizeaz numai una sau cteva sarcini predefinite i fixe. n felul acesta ele pot fi optimizate n faza de proiectaredupdiferitecriterii,deexemplucostulienergiaconsumat.nmodfrecvent sistemelencorporatesuntsistemedetimpreal,adicimpunlimiteclare,carenupotfi depite,asupradurateioperaiilor.Exempledesistemencorporatesunttelefoanelemobile, MP3playerele,electrocasnicele,controlereledetraficsaucontrolereledinautomobilele moderne. Cel mai frecvent model al sistemelor ncorporate este automatul finit. Fig. 1.13 Aplicaii ale sistemelor ncorporate Sistemele ncorporate pot fi implementate n diferite variante. Lista urmtoare prezint variantelenordineacresctoareaeficieneiconsumuluideenergie.Flexibilitateasistemelor ncorporate crete n ordine invers. 1.Procesoare cu destinaie general 36 Embedded systems Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 29 2.Microcontrolere 3.Procesoarepentruprelucrareanumericasemnalelor(DSPdigitalsignal processors) 4.Hardware programabil 5.Matrici de porti programabile (FPGA field-programmable gate arrays) 6.Circuiteintegratepentruaplicaiispecifice(ASICapplication-specific integrated circuits) 1.7.1. Automate finite implementate cu dispozitive logice programabile Fig. 1.14 Schema bloc a unui automat Mealy asincron programabil Fig. 1.15 Schema bloc a unui automat Mealy sincron programabil Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 30 Fig. 1.16 Automat Mealy sincron programabil pentru pornirea unui motor cu prioritate la oprire Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 31 1.7.2. Automate finite implementate cu microcontrolere Fig. 1.17 Automat finit, implementat cu un microcontroler PIC 12F675, pentru aprinderea secvenial a opt ledurii Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 32 2.Sisteme logice combinaionale - SLC Funcionareamultordispozitiveiechipamentetehnicepoatefidescrisaproximativ cuajutorulunorvariabilebinare,numitebii,carepotluanumaidouvalori:{acionat, neacionat},{0,1},{oprit,pornit},{stins,aprins},etc.Cuacestevariabilesepotrealiza diferiteoperaiiasemntoarecuceledinlogicapropoziional,algebrabooleanbinarsau algebra prilor unei mulimi, dup cum se vede n Tab. 2.1. n lucrrile consacrate sistemelor de conducere automat se folosete o terminologie i o notaie mprumutat din aceste algebre idinlogic.nplusseadauguniitermenifolosiintehnicacircuitelorlogiceelectronice integrateitehnicacalculatoarelorelectronice.Sistemelelogicecombinaionalenusunt sistemeautomatedeoarecenuaufeedbacksaumemorare.Elestaunslabazasistemelor automate la care elementul de conducere este de tip automat. Tab. 2.1 Comparaie ntre diferite algebre Algebra prilor unei mulimiAlgebra booleana binarLogica propoziional Partea A a mulimii Ex {0, 1}Enun {fals, adevarat} Intersecie ()nmulire booleana (.)Conectordecoordonare(SI)notat () Reuniune (U) Adunare booleana (+)Conectordecoordonare(SAU) notat (V) Complementare ( )Complementare ( )Conector de modificare (NU) sau negare notat ( ) ModelulfuncionalalunuisistemlogiccombinaionalsimpluesteprezentatnFig. 2.1. Se disting intrrile a i b, ieirea y i relaia logic dintre ele f. Fig. 2.1 Schema bloc a unui sistem logic combinaional aby y=f(a,b)Sistem logic combinational SLCSorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 33 Sedistingurmtoareleproblemecaretrebuiescrezolvatenlegturcusistemele logice combinaionale. Analiza. Se cunosc intrrile a, b i relaia logic f i se dorete determinarea ieirii y. (2.1) Pentrucunoaterearelaieilogicefseaplicmetodaanalitic37careconstn descompunereaSLCnsubsistemectmaisimpleistabilirealegturilordintreaceste subsisteme. n cazul SLC implementate cu contacte i relee aceste subsisteme sunt de tipul I, SAU,NU.DacSLCesterealizatcuajutorulcircuitelorelectroniceintegratenafarde subsistemelemenionatemaisuntialtele,deexemplucircuiteleI-NU,SAU-NU,SAU-EXCLUSIV, etc.DacsecunoscelementelecomponentealeSLCistructura38sa,rezultimediat relaia logic f. Exist mai multe metode pentru rezolvarea problemei analizei. n primul rnd se poate calcula ieirea direct folosind metodele algebrei booleene. Alt metod const n determinarea ieirilorcomponentelorSLC,combinarealorconformstructuriiiurmrireancontinuarea modului cum se propag semnalele de la intrarea SLC la ieirea sa. Sinteza. Secunoscintrrilea,biieireayisedeterminrelaialogicfcarelarndulei permitedeterminareasistemuluilogiccombinaional.Sintezaesteunadintremetodele inginereti de proiectare pe lng metoda exemplelor tip, metoda ncearc i verific i altele. (2.2) Testarea. Se cunosc relaia logic f i ieirea dorit y i se determin intrrile necesare a i b. (2.3) Aceastproblemtrebuierezolvatatuncicnddorimstimdacsistemuleste defect, unde se gsete defeciunea i care este tipul ei. 37 Aplicarea acestei metode se numete analiz 38 Relaiile dintre elemente. y f b a , ,f y b a , ,b a y f , , Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 34 2.1. Coduri Unele echipamente i instalaii au o funcionare care poate fi descris printr-un numr finit de stri. De exemplu, un motor reversibil poate fi oprit, se poate roti n sens direct sau n sens direct, un ascensor se poate afla lu unul dintre cele 12 etaje ale cldirii. Pentru acestea se folosete o codificare binar cu ajutorul mai multor bii. Dac avemnbii putem codifica N stri cu ajutorul codului binar natural (2.4) Deexempluceletreistrialemotoruluireversibilpotficodificatefolosinduncod binarnaturaformatdindoibiik1ik2carepoatecaracteriza,conformformulei(2.4), maximum patru stri. O codificare posibil, nu singura, este prezentat nTab.2.2.CodulbinarnaturalcupatrubiiestedatnTab.2.3iarcodulbinar distributivcupatrubiinTab.2.4.Seobservcdcoduldistributivestemaiintuitivdarare posibiliti de codificare mult mai mici. Tab. 2.2 Codificarea cu doi bii a i b a strilor unui motor reversibil Starea motoruluiab oprit00 rotire direct01 rotire invers10 -11 nN 2 =Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 35 Tab. 2.3 Codul binar natural cu patru bii abcd 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 Tab. 2.4 Codul binar distributiv sau 1 din n abcd 0001 0010 0100 1000 Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 36 2.2. Analiza sistemelor logice combinaionale Sistemele logice combinaionale SLC sunt formate dintr-o mulime de elemente, relaii iscopuri.Sistemelesenumesccombinaionaledeoarecenfuncionarealornuintervine variabilatimp.Conteaznumaicombinaia(structura)elementelor.Frconsiderareatimpuluiacestesistemenupotaveamemorieidecinupotrealizaoperaiiautomate,fr interveniaomuluiElementeleSLCpotficaracterizateprinvariabilebinarecarepotavea dou valori {0,1}. Relaiile dintre elemente sunt de tip I, SAU, NU iar scopul acestor sisteme l constitue prelucrarea informaiei. Sistemele logice combinaionale au drept model teoretic o algebrbooleanincontinuarenevomfolosiderezultateleobinutedeacestmodelide terminologia specific, Tab. 2.1. Elementele SLC sunt de natur electromecanic, electronic, hidraulic, etc. n continuare vom studia SLC formate din contacte i relee. Variabilele binare ataatecontactelorvorfinotateculiteremiciiarcelecarecaracterizeazfuncionarea bobinelor, lmpilor, motoarelor, etc sunt notate cu litere mari. Fig. 2.2 Schema desfurat electric a unui SLC de semnalizare tip I aK10Si stem l ogi c combi nati onalti p SILampa de semnal i zare+24VHk20b20Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 37 2.2.1. Sistem logic combinaional tip I nFig.2.2seprezintunsistemlogiccombinaionalcarearedreptscopprelucrarea informaieipentrusemnalizare.LampaHseaprindenumaidacbutoaneleaIbsunt acionate.Butonulesteuncontact normal deschis acionat manual. Dac este neacionat prin elnutrececurentelectricivariabilacarelcaracterizeazarevaloarea0.Atuncicndeste acionat prin el trece curent i variabila are valoarea 1. Bobina releului K are i ea dou valori: 1 atunci cnd prin ea trece curent i 0 atunci cnd prin ea nu trece curent electric. Valoarea ei esteofunciedetipIdevalorilecontacteloripoatefideterminatanalizndschemadin Fig. 2.2. Prin analiz nelegem c se cunoate SLC i valorile semnalelor de intrare a i b i sedeterminteoretic,experimentalsauprinsimularevalorilesemnaluluideieireK.Pentru SLCcucontacteireleeestefoarteuorssimulmnimaginaiefuncionareasistemului pentrutoatevalorileposibilealesemnalelordeintrareistrecemvalorileobinutepentru semnalul de ieire ntr-un tabel de adevr cum este Tab. 2.5. Valorile contactelor a i b pot fi trecutenoriceordine,importantestesfietoatevalorileposibile.Pentruanuomitevre-o valoare vom folosi codul binar natural cu doi bii. Acesta are 2n valori, n care n este numrul debii.ncazuldefaavemdoibiiaibinumruldevalorialecoduluiestepatru.n primulrndalTab.2.5contacteleauvaloarea0adicsuntneacionate.Prinelenupoates treac curent electric i deci i curentul care trece prin bobina releului este nul. Deci rezultatul simulriiindicvaloarea0pentruvariabilaKcareestetrecutnultimacoloan.Se procedeazasemntorpentrutoatesituaiilencareunulsaualtuldintrebutoanesunt acionate. Tab. 2.5 Tabel de adevr cu rezultatele analizei SLC tip I abK 00?.0 01?.0 10?.0 11?.1 Releulelectromagneticare,ntr-oprimaproximarencarenuintervinetimpul, urmtoarearelaiedintremrimeasadeintrare,stareaKabobineiimrimeasadeieire, contactul normal deschis k: (2.5) Aceastrelaiespunecdactrececurentulprinbobinidecireleulesteacionat atuncicontactulsunormaldeschisestetotacionat.ConsiderndTab.2.5i(2.5)sepoare definiirelaialogicdetipIntrecontacteledeintrareaibaleSLCicontactulsude ieire k. K k =Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 38 (2.6) Conform Tab. 2.1 aceast operaie mai este numit i nmulire boolean iar operatorul punct nu este specificat adeseori.Funcia logic I corespunde structurii de conectare n serie a contactelor. ntrelampadesemnalizaredinFig.2.2caracterizatprinvariabilaHicontactul releului k exist relaia H=k adic lampa H este aprins atunci cnd contactul k este acionat i considernd (2.6) se stabilete relaia logic a SLC de semnalizare prin acionarea manual a butoanelor: H=a.b. 2.2.2. Sistem logic combinaional tip SAU ContactelelegatenparalelformeazunsistemlogiccombinaionaldetipSAU.Un exemplucudoucontacteesteprezentatnFig.2.3.Analizndacestsistemprin simulare n imaginaientr-unmodasemntorcaincazulSLCtipIseobine tabelul de adevrTab. 2.6. Lampa H este acionat (aprins) numai dac sunt acionate butoanele a SAU b. Fig. 2.3 Schema desfurat electric pentru un SLC de semnalizare tip SAU b a k =aK10Si stem l ogi c combi nati onalti p SAULampa de semnal i zare+24VHk30b3020Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 39 Tab. 2.6 Tabelul de adevr cu rezultateleSLC tip SAU abK 00?.0 01?.1 10?.1 11?.1 Relaia logic ntre contactele de intrare a i b ale sistemului i ieirea sa k tip contact este: (2.7) 2.2.3. Sistem logic combinaional tip NU SistemullogiccombinaionaltipNUareunsingurcontactcanFig.2.4.Rezultatul analizei prin simulare este prezentat n Tab. 2.7. Fig. 2.4 Schema desfurat electric pentru SLC de semnalizare tip NU b a k + =aK20Si stem l ogi c combi nati onalti p NULampa de semnal i zare+24VHk3030VDi oda deprotecti e10Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 40 Dioda din circuitul 10 nu face parte dintre elementele SLC. Reamintim c acestea sunt caracterizate prin dou stri. Aceasta este doar o aproximare. n realitate trecerea de la o stare laaltanusefacebrusccincadrulunuiprocestranzitoriucarepoateaveaefectenedorite. Acestaestecazulsarciniiinductiveformatedinbovinareleuluidincircuitul20.La deschidereacontactuluiaarelocunfenomendeautoinduciecareproduceotensiunefoarte marecareseopunetensiuniidealimentare.aceasttensiuneprovoacscnteilacontactula care produc parazii i deterioreaz contactul. Tab. 2.7 Tabelul de adevr cu rezultatele analizei SLC tip NU aK 0?.1 1?.0 Relaia logic intrare ieire cu semnale de tip contact este: (2.8) 2.2.4. Relaii logice caracteristice sistemelor logice combinaionale Deoarece modelul teoretic al unui sistem logic combinaional este o algebr boolean ntreelementelesalecomponenteexisturmtoarelerelaiilogicecarepotfiverificateprin simulare. Comutativitate (2.9) Asociativitate (2.10) Distributivitate (2.11) Absorbie (2.12) Idempoten (2.13) Dubl negaie (2.14) Teorema lui De Morgan (2.15) a k =a b b a ba ab + = + =c b a c b a c ab bc a + + = + + = ) ( ) ( ) ( ) () )( ( ) ( c a b a bc a ac ab c b a + + = + + = +a b a a a ab a = + = + ) (a a a a aa = + =a a =b a b a b a ab = + + =Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 41 Terul exclus (2.16) Relaii cu constante logice (2.17) (2.18) (2.19) 2.3. Sinteza sistemelor logice combinaionale Sintezadeterminatde(2.2)esteunadintremetodeledeproiectarealesistemelor logice combinaionale. 2.3.1. Metoda formei disjunctive canonice Sconsidermsistemullogiccombinaionalpentruaprindereauneilmpidela capetele unui coridor, Fig. 2.5. Fig. 2.5 Schema tehnologic pentru aprinderea unei lmpi de la capetele unui coridor SemnaleledeintrarenSLCsuntvariabilelebinareataatebutoaneloraibcu memoriemecaniciarsemnaluldeieireestevariabilabinarataatlmpiiH.Moduldorit defuncionareaSLCesteprezentatnTab.2.8.Dacomulnusegsetencoridori butoanelea,bnusuntapsate,Fig.2.5,atuncilampaHestestins,situaiespecificatn prima linie a tabelului de adevr Tab. 2.8. 0 1 = = + a a a aa a a = + = 0 0 01 1 1 = + = a a a1 0 0 1 = =b aHSorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 42 Tab. 2.8 Tabelul de adevr pentru SLC tip SAU-EXCLUSIV abH=f(a,b) 00f(0,0)=0 01f(0,1)=1 10f(1,0)=1 11f(1,1)=0 Laintrareancoridoromulacioneazbutonulacumemoriemecanic.LampaH trebuiesseaprind,cazprezentatnliniatreiaTab.2.8.Omulavanseazpecoridordar butonularmneacionatdeoareceamemoratimpulsuldeacionare. La captul coridorului omulacioneazprinapsarebutonulbcarermnenaceaststaredeoarecearememorie. Lampasestinge.SituaiaestespecificatnliniapatrutabeluluideadevrTab.2.8.La ntoarceresituaiaserepet.Lanceputambelebutoanesuntapsateilampastins(linia patra)Laintrareancoridorseacioneazbutonulb.Acestafiindnstareadememorarea acionriiprecedenteesteapsat.Prinnouaacionare nu mai este apsat iar lampa trebuie s se aprind, situaie reflectat n linia a doua a Tab. 2.8. n continuare valorile se repet. Cunoatem acum intrrile i ieirea dar nu tim funcia logic f care le leag. Pentru a o afla presupunem c relaia logic este de forma: (2.20) n care u i v sunt dou funcii logice numai de variabila b.Dar variabila a poate lua numai dou valori, 0 sau 1. S examinm cele dou cazuri pe rnd. (2.21) (2.22) Deci (2.20) devine: (2.23) Repetndprocedeulpentruf(1,b)if(0,b)seobineformadisjunctivcanonica relaiei logice: (2.24) SeobservccoeficieniivariabileloraibsunttocmaivalorileluiHdinTab.2.8. nlocuind se obine: a v ua b a f H + = = ) , (v v u b f H a = + = = = 1 0 ) , 0 ( 0u v u b f H a = + = = = 0 1 ) , 1 ( 1a b f a b f b a f H ) , 0 ( ) , 1 ( ) , ( + = =ab f b a f b a f b a f b a f H ) 1 , 1 ( ) 0 , 1 ( ) 1 , 0 ( ) 0 , 0 ( ) , ( + + + = =Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 43 (2.25) AceastrelaiepoatefiimplementatfoarteuordacseineseamacfunciaSAU nseamn conectarea butoanelor n paralel, funcia I nseamn conectarea butoanelor n serie, iarfunciaNUserealizeazcuunbutonavndcontactulnormalnchis.ProiectareaSLC trebuie s in seama ns i de alte considerente, nu numai relaia logic ntre intrri i ieiri. Dac,deexemplu,sedoretecacurentulprinbutoanes fie mult mai mic dect curentul de sarcinallmpiiatuncisefoloseteunreleuintermediarideobineschemadinFig.2.6. Analiza acestui SLC arat c este format din dou subsisteme. Primul este format din bobina releului i butoanele din circuitele 10 i 20 iar relaia logic dintre intrri i ieiri (2.26)) este detipul(2.25))realizndfunciatipSAU-EXCLUSIV.Aldoileasubsistemesteformatdin lampaicontactulkalreleuluicaresegsescncircuitul30.Relaialogicaacestui subsistemeste(2.27))careadugatlarelaiafizic(2.28)permiterealizarearelaieidorite (2.25) dup eliminarea variabilelor intermediare k i K. (2.26) (2.27) (2.28) Fig.2.6Schemadesfuratelectricasistemuluilogiccombinaionalpentru aprinderea unei lmpi de la capetele unui coridor b a b a H + =aK10Si stem l ogi ccombi nati onalti p SAU - EXCLUSIVLampa de semnal i zare+24VHk30b3020abb a b a K + =k H =K k =Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 44 2.3.2. Metoda diagramei Karnaugh Sintezasistemelorlogicecombinaionaleprinmetodaformeidisjunctivecanonice conduce, n general, la relaii logice complexe atunci cnd numrul variabilelor de intrare este mare.Acestfaptpoatefi ilustrat de exemplul SLC de semnalizare a majoritii cu caietul de sarcininTab.2.9.LampadesemnalizareHseaprindeatuncicndmajoritateabutoanelor sunt acionate. Atunci cnd avem trei butoane de intrare majoritate este format de dou dintre ele. Tab. 2.9 Tabelul de adevr al SLC de semnalizare a majoritii abcH=f(a,b,c) 000f(0,0,0)=0 001f(0,0,1)=0 010f(0,1,0)=0 011f(0,1,1)=1 100f(1,0,0)=0 101f(1,0,1)=1 110f(1,1,0)=1 111f(1,1,1)=1 Forma disjunctiv canonic a relaiei logice dintre intrrile i ieirea SLC caracterizat de Tab. 2.9 este de tipul (2.24)) cu deosebirea c de data aceasta exist trei semnale de intrare. (2.29) Implementareaacesterelaiicucontacteireleenecesit12butoanedintrecaretrei sunt prevzute cu contacte normal nchise. Fig. 2.7 Diagrama Karnaugh pentru SLC de semnalizare a majoritii 01 11 00 1001b ac00 10 1101Habc c ab c b a bc a H + + + =Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 45 In relaia (2.29) se poate da factor comun variabila a i se obine o form simplificat: (2.30) Implementareaacesteirelaiinecesitnumai10contacte.Alteoperaiicaracteristice algebrei booleene ar putea produce simplificri mai importante. Exist ns o alternativ care conducelasimplificareamaximposibil.AceastaestemetodadiagrameiKarnaugh prezentat n Fig. 2.6. Diagrama Karnaugh nu este nimic altceva dect tabelul de adevr altfel scris.CapuldetabelaldiagrameiKarnaughestescrisncodGraylacaretrecereadelao valoarelaaltasefaceprinmodificareaunuisingurbit.Odatcetabeluldeadevrafost rescris sub forma diagramei Karnaugh se realizeaz urmtoarele etape pentru obinerea relaiei logice. Grupareacelulelor.ToatecelulelediagrameiKarnaughcareconinvaloarealogic1se grupeaz dup urmtoarele reguli. R1-OgruparepoateconineunnumrNdecelulecareconinvaloarea1careeste egalcuN=2n,ncaren=0,1,2,3,4,5Practicogruparevaconine1,2,4,8,16celule.Se observcogruparepoateaveaosingurcelul.Gruprilesenumeroteazaacums-a procedat n Fig. 2.6. R2 Gruprile trebuie s fie ct mai mari i ct mai puine. R3Toateceluleledintr-ogruparetrebuiesaibcteolaturcomun,nuunnod comun. Din aceast cauz gruprile au forma unor dreptunghiuri sau ptrate i nu a unei stele R4 O celul poate s fac parte din mai multe grupri. R5Suprafaancaresegsesc celulele diagramei Karnaugh ar laturile opuse lipite. n felul acesta se pot face grupri cu celulele de grani sau celulele situate la coluri. Relaia logic cu variabile ondulate. Pentru fiecare grupare se scrie produsul variabilelor ondulate.Acesteproduseseadunpentruaobinevariabiladeieire.PentruFig.2.6se obine: (2.31) Calculul variabilelor ondulate. S considerm o variabil ondulat oarecare, s zicem . Pentru gruparea considerat se observ ce valori are variabila neondulata pentru fiecare dintrecelulelegruprii.Existtreicazuri.nprimulrndesteposibilcavariabila neondulatsaibpentrutoatecelulelegrupriivaloareaunu.Atuncivariabilaondulat este egal cu variabila neondulat. (2.32) Asemntor (2.33) ] [ bc c b c b a bc a H + + + =~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~c b a c b a c b a H + + =a a a = =~1a a a = =~0Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 46 Dacpentruogruparevariabilaneondulatarepentruunelecelulevaloareaunui pentru alte celule valoarea zero atunci variabila ondulat este o constant logic egal cu unu: (2.34) AplicndacestereguliladiagramaKarnaughdinFig.2.6seobinerelaialogic dorit: (2.35) Dac se d factor comun o variabil, de exemplu a, se obine o nou simplificare: (2.36) Fig. 2.8 Schema desfurat electric pentru SLC cu majoritate Implementarearelaieilogice(2.36)folosindunreleuintermediarpentruaobine curenimiciprincontacteesteprezentatnFig.2.8.nacestexemplufolosireametodeide sintezadiagrameiKarnaughapermissimplificareaschemei,comparativcuceaobinutala metoda formei disjunctive canonice, de la 12 la 5 contacte. 1 ] 0 [ ] 1 [~= = = a a a aK10Si stem l ogi c combi nati onalti p maj ori tateLampa de semnal i zare+24VHk40b4020c c b30bc ac ab H + + =bc c b a H + + = ) (Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 47 ExemplulprecedentaartatcsintezaSLCnecesitcunoatereatuturorintrrilori ieirilorcorespunztoare.npracticmultevalorialeintrrilornupotaparedinmotive tehnologice sau ieirile pentru ele sunt indiferente. Chiar dac am tii toate valorile intrrilor nuesteposibilprelucrarealorpracticdeoarecenumrullorcreteexponenialcunumrul semnalelor de intrare. Pentru n semnale de intrare avem N=2n valori ale semnalelor de ieire. O manier de a depi aceste dificulti este prezentat n exemplul urmtor. Fig. 2.9 Diagrama Karnaugh a SLC pentru semnalizarea suprasarcinii Sedoretesintezaunuisistemlogiccombinaionalcaressemnalizezeapariia suprasarcinii unui generator de 100 kW. Sarcina generatorului este format din cinci motoare: motorulade51kW,motorulbde40dekW,motorulcde20kW,motoruldde20kWi motorulede10kW.Motoarelebicnufuncioneazniciodatsimultandinmotive tehnologice.Sistemulavndcincisemnalelogicedeintrarea,b,c,die,numrulvalorilor posibileestede25=32.Putemevitaconsiderareatuturoracestorvaloridacdescompunem sistemulformatdincelecincimotoarendousubsisteme:motorulaigrupulmotoarelor b,c,d,e.Seobservcsuprasarcina,adicconsumulmaimarede100kW,aparenumaidac motorul a funcioneaz I al doilea subsistem consum mai mult de 50 kW. Deci lampa de semnalizare H se aprinde dac: (2.37) Snotmcutcondiiacaaldoileasubsistemsconsumemaimultde50kW. Diagrama Karnaugh pentru variabila de ieire t a subsistemului format din cele patru motoare este prezentat n Fig. 2.9. Relaia logic corespunztoare este: (2.38) Considernd (2.37) rezult relaia logic pentru ieirea SLC format din lampa H. 011100 10c be dt0001111000 00 00 0 01111cde d e b cde d b e b e d c b e d c b e d c b t + + = + + = + + = ) ( 1 1 1 11~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~t a H =Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 48 (2.39) Dacsedoretesemnalizareafuncionriinormaleageneratoruluielectric,fr suprasarcin,atuncilampaH1sevaaprindeatuncicndNUseaprindeH.Din(2.37)se obine: (2.40) DiagramaKarnaughpentrucomplementulluitseobinedinFig.2.9ncareseiau toate valorile negate ca n Fig. 2.10. Fig. 2.10 Diagrama Karnaugh a SLC de semnalizare a funcionrii fr suprasarcin a generatorului Dup ce se fac gruprile i se calculeaz variabilele ondulate se obin e relaia: (2.41) Din(2.40)rezultcondiiadeaprinderealmpiiH1lafuncionareanormala generatorului: (2.42) Relaia (2.41) se poate obine i din (2.38) dac se aplic teorema lui De Morgan i se consider relaia (2.18). (2.43) (2.44) ] ) ( [ cde d e b a at H + + = =011100 10c be dt0001111011 11 11 1 10000t a t a H H + = = = 1e b d b e d c b t + + + =) ( ) ( 1 b e d e c b a t a H + + + + = + =) )( )( ( ) )( )( ( e d c d b e b cde bd be cde bd be t + + + + = = + + =e b d b e d c b e d c d e b e d b b t + + + = + + + + + = ) )( (Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 49 2.4. Testarea sistemelor logice combinaionale Problematestriiafostdefinitde(2.3).DacdorimstestmSLCdinFig.2.11 trebuiescunoatemovaloareaieirii.ncazuldefadorimcalampasfieaprins,deci Z=1. Pentru a testa dac SLC aprinde corect lampa este nevoie s tim care sunt semnalele de intrarepentrucarelampaesteaprins.Aceastase rezolv uor dac cunoatem relaia logic dintre intrri i ieire. Deoarece de obicei se cunoate schema desfurat electric, ca n Fig. 2.11, se face mai nti o analiz SLC din care rezult (2.45). Fig. 2.11 Sistem logic combinaional supus testrii (2.45) Cuajutorulrelaieilogiceintrriieiresedetermintabeluldeadevrprezentatn Tab. 2.10. Din acesta se constat care sunt intrrile pentru care ieirea are valoarea unu, adic lampa este aprins. Acestea sunt (2.46) cH10Si stem l ogi ccombi nati onal Lampa de semnal i zare+24VZh30b4020Gcag4030) ( c a c bc c a h g Z + = + = + =) 1 , 0 , 0 ( ) , , ( = c b aSorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 50 (2.47) (2.48) Tab. 2.10 Tabelul de adevr pentru SLC din Fig. 2.11 care este testat abcZ 0000 0011 0100 0111 1000 1010 1100 1111 Relaiile(2.46),(2.47)i(2.48)spuncsistemullogiccombinaionaldinFig.2.11 poate fi testat dac este defect prin apsarea butonului a sau apsarea simultan a lui a i b sau apsareasimultanatuturorcelortreibutoanea,b,c.Aceastmetoddetestarepunen evidenfaptulcaapruto defeciune atunci cnd lampa nu se aprinde, dar nu ofer nici o indicaie asupra locului unde a aprut defeciunea. Examinnd manevra (2.46) se constat c la apsarea butonuluic lampa Z se aprinde prinintermediulreleuluiG.Daclampanuseaprindenseamncreleulestestricatiam localiyatdefeciuneancircuitulcunumrul10.nmodasemntorrezult c dac lampa Z nuseaprindelaapsareatuturorcelortreibutoanereleulHdincircuitul20estedefect. Semnalul de intrare (2.29) nu permite localizarea defeciunii deoarece lampa se poate aprinde sau prin releul G sau prin releul H. Dac unul dintre relee este defectat lampa tot se prind prin intermediul celuilalt releu i defeciunea nu este pus n eviden. Lasistemelelogicecombinaionalerealizatecucontacteireleetipurilecelemai frecventededefeciunilconstituescurtcircuitelelamassaulabornadealimentarecare conduclanepenireaunorreleepevaloareaacionatsauvaloareaneacionat.Depistarea tipului de defect se poate face cu ajutorul relaiilor logice difereniale. ) 1 , 1 , 0 ( ) , , ( = c b a) 1 , 1 , 1 ( ) , , ( = c b aSorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 51 2.5. Implementarea SLC cu circuite electronice integrate Funciilelogicepotfiimplementatecuajutorulcircuitelorlogiceintegrate. SimbolurileacestorcircuitesuntprezentatenFig.2.12.Unexempludeimplementarel prezint filtrul logic pentru ascensor.Ieirea filtrului ia valoarea 1 atunci cnd greutatea G din cabina ascensorului se gsete ntre anumite limite. Pentru aceasta n cabin se monteaz trei traductori de greutate a, b i c a cror ieiri iau urmtoarele valori: -a = 1 dac G > 0 kg -b = 1 dac G 100 kg -c = 1 dac G 800 kg trbuie s funcioneze numai atunci cnd cabina este goal, adic G = 0 kg, sau atunci cndgreutateaGestecuprinsntre100i800kg.TabeluldeadevresteprezentatnTab. 2.11 iar diagrama Karnaugh n Fig. 2.13. Fig. 2.12 Simbolurile funciilor logice implementate cu circuite electronice integrate. Tab. 2.11 abcy 0001 001- 010- 011- 1000 101- 1101 1110 SIabySAUabyNUa ySI-NUabySAU-NUabySAUEXCLUSIVabyCOMPARATORabySorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 52 c b a y + =Fig. 2.13 Diagrama Karnaugh pentru filtrul logic al ascensorului Se fac gruprile i rezult funcia logic: (3.49) (3.50) Schema corespunztoare este prezentat n Fig. 2.14 Fig. 2.14 Filtrul logic al ascensorului implementat cu circuite I-SAU-NU. Relaia (3.50) i i se poate aplica teorema lui De Morgan: (3.51) Dac se mai neag odat se obine: (3.52) Aceast relaie poate fi implementat numai cu circuite I-NU ca n Fig. 2.26. byac01 11 00 1001b ac1- -- 100-y~ ~ ~ ~ ~ ~c b a c b a y + =( ) c b a c b a y = + = .( ) c b a y =Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 53 2.6. Implementarea SLC cu circuite integrate pe scar medie i mare SI programabil Fig. 2.15 Circuitul I programabil SAU programabil Fig. 2.16 Circuiutul SAU programabil 2.6.1. Codificatorul Codificatorul este un dispozitiv care transform un cod distributiv (1 din n) ntr-un cod binarnatural.CodificatorulseimplementeazpeunnivelSAU,adicoperaiadecodificare este o funcie logic SAU. Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 54 2.6.2. Decodificatorul Decodificatorul primete la intrare informaii n cod binar natural i furnizeaz la ieire semnalencodul1dinn.ImplementareadecodificatoruluiserealizeazlanivelI,adic operaia de decodificare este o operaie logic I. 2.6.3. Multiplexorul i demultiplexorul MultiplexorulareunniveldeimplementareIiunnivelSAU.Decdimultiplexorul poateimplementaoricefunciedisjunctivcanonic.UnmultiplexorcuNintraripoate implementa tabele de adevar cu N intrari si o iesire Fig. 2.17 Multiplexor i demultiplexor electromecanice Fig. 2.18 Multiplexor i demultiplexor electronice Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 55 Fig. 2.19 Implementarea SLC pentru banda rulant cu ajutorul unui multiplexor 2.6.4. Demultiplexorul Structura i funcionarea demultiplexorului este identic cu cea a codificatorului. Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 56 2.6.5. Memoria numai cu citire ROM Circuitul ROM (Read Only Memory), la fel ca i multiplexorul, prezint nivelele i i SAU,decipoateimplementaoricefuncielogicexprimatprinformasacanonic disjunctiv.InsspredeosebiredemultiplexornivelulSAUesteprogramabilipoatefiun circuit cu ieiri multiple, adic poate genera un cuvnt de date. Fig. 2.20 Circuit ROM Circul ROM - detalii de implementare: Logica SI cablata, logica SAU programabila Avantaje: - proiect cu o structura regulata - proiectarea poate fi complet automatizata - Logica de decodificare partajata - Genereaza toate produsele - Pot implementa tabele de adevar cu un numar oarecare de iesiri - Usor de specificat - Plan (layout) regulat Dezavantaje: - Tranzistoarele trage sus sunt active, ceea ce implica cosum static de putere - Trasee lungi de metal, cu capacitati mari - Viteza de lucru relativ mica. - Utilizare ineficienta a spatiului/timpului Terminologie: - Intrarille circuitului ROM: adrese - Iesirile decodificatorului: linii de cuvint - Iesirile selectorului: linii de bit Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 57 2.6.6. Memoria PROM, EPROM i EEPROM Fig. 2.21 Circuitul ROM Fig. 2.22 Circuitul PROM Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 58 2.6.7. Matricea logic programabil PLA CircuitulPLA(ProgrammableLogicArray-TablouLogicProgramabil).Incazulin care termenii I ai decodificatorului din ROM ar putea fi programabili, ca si termenii SAU, s-arputeafolosioseriedemetodedeminimizareinscopulreduceriidimensiunilortabloului ROM. Se obtine un dispozitiv universal. Fig. 2.23 Convertor din cod binar natrural n cod Graz 3 3d g =2 3 2d d g + =1 2 1 2 1d d d d g + =0 1 0 1 0d d d d g + = Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 59 Fig. 2.24 Matricea logic programabil PLA 2.6.8. Matricea logic programabil PAL PAL(ProgrammableArrayLogicTablouriProgramabileLogice)Oaltaabordarea proiectarii logice structurate o constituie PAL-urile. Aceste dispozitive au fost in voga in anii 80intrucatauinlocuitcusuccesportileTTLsiaucontribuitlalansareamicroprocesoarelor. Actualmentesuntdepasite.PAL-urileauundecodificatorprogramabil(planulAND)sio logica de slectie fixa. Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 60 Fig. 2.25 Matricea logic programabil PAL Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 61 2.7. Aspecte constructive ale sistemelor logice combinaionale Un sistem logic combinaional poate fi realizat constructiv (implementat) n mai multe variante: -SLC electric cu contacte i relee, -SLC electronic cu circuite integrate I, SAU, NU sau circuite programabile, -SLC electronic cu automat programabil logic APL, -SLC electronic cu microcalculator de proces, -SLC hidraulic, -SLC pneumatic. Fig. 2.26 Filtrul logic al ascensorului implementat cu circuite I-NU 2.7.1. Construcia releului electromagnetic Releulesteunechipamentelectromecanicacruiconstrucieestereprezentat schematicnFig.2.27iFig.2.28.Elesteformatdintr-obobin(1),oarmtur(2)mobil legat de resortul elastic (3) i dou contacte (4). Atuncicndprinbobintrececurentreleulesteacionatiarmturasaesteatras trcnddepebornasuperioaracontactuluipebornasainferioar.Contactul(4)esteun contactcomutator.Releelepotfidotateconstructivnafardecontactecomutatoareicu contactenormalnchisesaunormaldeschise39.nsituaiancarecurentulnumaitreceprin bobin resortul comut armtura pe borna superioar a contactului. 39nFig.2.27armturaibornasuperioarformeazuncontactnormalnchis,iararmturaiborna inferioarformeazuncontactnormaldeschis.Seobservccontactulcomutatoresteformatdintr-uncontact normal deschis i unul normal nchis. Adeseori contactele comutatoare ale releelor ndeplinesc numai funcia de contact normal deschis sau contact normal nchis. aybcSorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 62 Dinmotiveconstructive40folosireareleeloricontactelorndeplinesc,ngeneral, urmtoarele condiii: -Obornabobineiseleagntotdeaunalaaceiaiborncomunasurseide alimentare. -Lacealaltbornasurseidealimentareseleag,pectposibil,contactele normal nchise cu funcie de protecie. -La o born a bobinei sau contactului se leag ntotdeauna nu mai mult de dou fire. -nparalelpebobinsemonteazundispozitivdeantiparazitarecarestinge scnteile ce apar la deschiderea contactelor releului. ncadrulunui sistem logic combinaional releul poate ndeplinii mai multe funciuni, realizarea lui constructiv dobndind caracteristici specifice. Fig. 2.27 Principiul de funcionare al unui releu 40 Prin motive constructive neleg o gam larga de situaii legate de tehnologie, fiabilitate, siguran n funcionare, protecia omului i a aparatelor i simplitatea exploatrii. Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 63 Fig. 2.28 Construcia unui releu pentru automatizare 2.7.2. Elemente reale ale sistemelor logice combinaionale ElementeleSLCsuntaproximateprinmodeleteoreticeidealecareaunumaidou stri. n realitate lucrurile nu stau aa. De exemplu contactele sunt considerate drept elemente carelasstreacsauntreruptotalcurentulelectric.Contactulrealarensorezisten electric cu o valoare cuprins ntre 0,01 i 10 . Valorile mari ale rezistenei de contact sunt atinsedupofuncionaremaindelungaticonduc,n cazul unor cureni mari, la cderi de tensiuneimportantecarepericliteazacionareareleului.Acestfenomenlimiteaznumrul contactelor conectate n serie, fenomen care nu este luat n considerare de modelul teoretic sub form de algebr boolean al sistemelor logice combinaionale.Caracteristica static de acionare a releului nu este nici ea simpl. Forma ei este de tip histerezis i trebuie luat n considerare la proiectarea sistemelor logice combinaionale. Ladeschidereacontactelorseproducscnteicareproducperturbaiipentruaparatura electronicicalculatoareiconducladeteriorareamairapidacontactelor.Eliminarea acestuifenomensenumetedeparazitareisefaceprinconectareanparalelcubobinele releelor a unor dispozitive. Pentru releele alimentate n curen continuu se monteaz diode conectate invers care nu conducnmodnormaldarscurtcircuiteaztensiunileelectromotoareinduseladeschiderea contactelor. Pentru releele alimentate n curent alternativ se folosesc varistoare sau circuite RC Sorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 64 2.7.3. Hazardul combinaional. Implementarearelaieilogice(3.16)esteprezentatnFig.2.29.Seobservuorc indiferent dac contactul a este acionat sau nu este acionat lampa H nu este aprins niciodat. n realitate cele dou contacte, unul normal deschis i altul normal nchis, ale butonului a nu potfiacionatesimultan.Daccontactulnormaldeschisesteacionatnainteacontactului normal nchis atunci lampa H se aprinde o fraciune de secund. Acest impuls de scurt durat poatefimemoratdealteechipamentealesistemuluideconducereipoateconducenfelul acestalaperturbriimportantealefuncionriisistemului.Deoareceacionareanesimultan ale celor dou contacte este aleatotie fenomenul se numete hazard combinaional. Fig. 2.29 Schema electric desfurat electric a unui SLC cu hazard combinaional Relaia logic intrare ieire este (2.49) aK10Lampa de semnalizare+24VHk20a20Sistem cu hazard combinational0 = = a a kSorin Larionescu Automatizarea instalaiilor, vol. 1 65 Cu toate acestea datorit acionrii aleatorii a contactelor este posibil ca primul contact a s se acioneze mai repede i deci pentru o perioad scurt de timp k=1. UnaltexempludehazardcombinaionalesteprezentatnFig.2.30.Relaialogic este: (2.50) Dac a=c=1 i d=0 atunci relaia logic se reduce la: (2.51) i apare hazard combinaional deoarece k poate fi egal cu zero pentru o scurt perioad de timp. n diagrama Karnaugh apariia hazardului combinaional este semnalat de faptul c gruprile cu numrul 1 i 2 sunt disjuncte. Pentru eliminarea hazardului se poate introduce o nou grupare, cu numrul 4, care unete gruprile 1 i 2 ca n Fig. 2.31. Fig. 2.30 Un exemplu de depistare a hazardului combinaionalcu a