OSNOVNA SKLOPOVSKA OPREMA POTREBNA ZA

RAČUNALNU AUTOMATIZACIJU

Uvid u proces se dobiva preko njegovih procesnih veličina (npr. temperatura, protok, tlak…). Procesne veličine opisuju osobine procesa. Fizikalne (procesne) veličine koje se mjere zovu se još i procesne mjerene veličine.- Procesne mjerene veličine pretvaraju se pomoću senzora u izmjerene veličine koje se dalje mogu koristiti za davanje informacija operatoru (čovjeku) i kao ulazne veličine za računalnu automatizaciju procesa.

Sklopovska oprema za automatizaciju mora biti prilagođena tehničkom procesu te mora omogućiti prijenos podataka između procesa i računala.

Sklopovsku opremu možemo podijeliti u tri skupine:

• Sklopovska oprema pri procesu• Sklopovska oprema za pretvorbu i prijenos

podataka (dijalog)• Računalo

Podaci izprocesa

Intervencija u proces

...

...

Pretvorba i prijenos

podataka

Računalo

Mjerni ili upravljački algoritam

Proces Dijalog Računalo

SKLOPOVSKA OPREMA PRI PROCESU:

Oprema koja daje informacije o procesu• Mjerni pretvornici

Oprema koja utječe na proces• Upravljači članovi

Mjerni pretvorniciPretvaraju procesne mjerene veličine u procesne signale.

TEMPERATURATLAKPROTOK

.

.

.

NAPONSTRUJA

Mjerni pretvornici

Gotovo sve neelektrične veličine se uporabom prikladnih mjernih pretvornika (transducer) mogu mjeriti električnim postupcima

Tom pretvorbom mogu se :

• razne fizikalne veličine mjeriti jednom metodom odnosno jednom vrstom mjernog instrumenta,

• male promjene neelektrične veličine, nakon pretvorbe u električnu, pojačati, a zatim lako prikazati i izmjeriti manje osjetljivim mjerilima,

• obaviti mjerenja na daljinu,• mjeriti i bilježiti vrlo brze promjene

neelektričnih veličina

Pretvornik se najčešće sastoji iz:

• osjetila (davač, senzor, sonda)• sklopa za oblikovanje signala • pokazivača (mjerni instrument, registracijski

uređaj, osciloskop i sl.)

BLOK SHEMA MJERNOG PRETVORNIKA

Izbor pretvornika ovisi o očekivanom opsegu promjene mjerene veličine, njezinoj frekvenciji, očekivanoj točnosti mjerenja, vrsti i razini normiranog izlaznog signala, dozvoljenom vlastitom potrošku (kod pasivnih osjetila), utjecaju (interakciji) mjerene veličine s ostalim fizikalnim veličinama Osnovno svojstvo – pretvornik ne smiju djelovati na sredinu u kojoj se mjeri.

Pametna (smart) osjetilaMikroračunalo je pridodano samom osjetilu. Na taj način su omogućuju relativno složene obrade podataka u samom senzoru čime se poboljšava kvaliteta izlaznih podataka.

Podjela osjetila prema mjerenim veličinama:• Mjerenje gibanja (pomak, brzina, ubrzanje…)• Mjerenje naprezanja sile i momenta

(pretvornici sile, zakretnih momenta, deformacija…)

• Mjerenje tlaka (kapljevinski pretvornici, pretvornici tlaka, pretvornici vakuuma…)

• Mjerenje temperature (bimetal, otpornička osjetila, termoparovi…)

• Mjerenje protjecanja ( pretvornici protoka s promjenjivim padom tlaka na suženju, potisni pretvornici, protoka, turbinski pretvornici protoka…)

• Mjerenje razine kapljevina, sipina, krutina (plovak, tlačno osjetilo, kapacitivni pretvornici, ultrazvučni pretvornici…)

• Mjerenje vlažnosti (rosisni vlagomjer, apsorbijski…)

• Mjerenje gustoće (ronila, hidrostatski pretvornici…)

• …

Podjela osjetila prema vrsti izlaza:

• Osjetila s analognim izlazom• Osjetila digitalnim izlazom

Osjetila s digitalnim izlazom ili digitalni davači

Postoji više vrsta digitalnih osjetila. Ovdje će biti prikazane samo neke.

Običan prekidač

Najjednostavnije, a najvjerojatnije i najupotrebljavanije digitalno osjetilo je običan prekidač.Kad je prekidač otvoren to se može smatrati stanjem 0 a kad je zatvoren stanjem 1. Prema tome to bi bilo osjetilo s jednobitnim izlazom.Prekidač se može aktivirati ručno ili kod promjene mjerne veličine plovkom, IC zrakom, porastom tlaka itd.Npr. kod regulacije nivoa tekućine, kad razine tekućine dosegne određeni nivo, plovak se podigne i uključi prekidač.

Kružni mehanički davač s binarni izlazom

Linearni mehanički davač s binarnim izlazom

Elektronički 2-bitni davač

Oblikovanje analognih signala

Različite vrste senzora upotrebljavaju za svoj različite fizičke zakona što za posljedicu ima različite analogne izlaze iz senzora (u vrsti, obliku i veličini izlaznog signala).Kako bi se analogni signali mogli dalje obrađivati (prenositi, pretvarati u digitalne…) moraju biti istog oblika i u istom rasponu vrijednosti.

Stoga se analogni signal (iz osjetila) se prije prijenosa, odnosno pretvorbe u digitalni mora obraditi (oblikovati). Obrada se najčešće sastoji iz:• Kondicioniranja - pretvorbe signala na zajednički

format tj. oblik i veličini koja se može dovesti na A/D pretvarač (npr. u naponski opseg od 0 - 5 V). Pri tome se mora održati točnost informacije. Kondicioniranje je moguće i u samom osjetilu.

• Filtriranja (otklanjanje utjecaja smetnji)

Upravljači članPretvaraju procesne signale dobivene iz računala u procesne veličine.Najčešće se sastoji iz aktuatora i izvršnog člana.Aktuator je mehanička naprava koja pomiče ili upravlja nečim. Aktuator je pretvarač energije u kretanje (npr. motor).Izvršni član je pogonjen aktuatorom i utječe na ulaznu veličinu u proces (npr. ventil).

SKLOPOVSKA OPREMA ZA PRETVORBU SIGNALA

Analogno-digitalni (A/D) pretvaračiDigitalno-analogni (D/A) pretvarači

PRETVORBA ANALOGNOG SIGNALA U DIGITALNI

A/D pretvarači zahtijevaju točno određeni iznos i oblik i veličinu ulaznog analognog signala.

Pretvorba analognog signala u digitalni sastoji se iz sljedećih koraka:• Uzorkovanja (engl. sampling)• Kvantizacija• Kodiranje

Pri pretvorbi analogni signal se diskretizira po vremenu i amplitudi.Pri tome se mora voditi računa da ne dođe do oštećenja (gubitka) informacija.

UzorkovanjeDiskretizacija po vremenu (vremenski razmak između uzimanja dva uzorka) mora biti takva da koraci uzimanja uzoraka signala budu dovoljno gusti da se ne izgubiti niti jedan harmonik korisnog signala i time ošteti informacija.KvantizacijaDiskretizacija po amplitudi mora imati dobro razlučivanje. Mora se točno pratiti amplituda signala.

KodiranjeA/D pretvarač pretvara analogni signal u binarni broj. A/D pretvarač mora imati dovoljan broj bitova kojima se prikazuje analogni signal.

Uzimanje uzorka i njegovo pamćenje

Uzorkovanje i pamćenje(Sample and Hold)

Upravljanje

IzlazUlaz

Zadatak sklopa za uzimanje uzorka je da ”učita” trenutnu vrijednost analognog signala tj. da uzme uzorak analognog signala te ga zapamti dok se očitana vrijednost u A/D pretvaraču ne pretvori u digitalnu veličinu.Najčešće se s elektroničkog gledišta to ostvari tako da se ulaznim analogni naponom preko pojačala nabije kondenzator, nakon čega se prekida veza ulaznog napona i kondenzatora. Napon na kondenzatoru ostaje nepromijenjen sve dok se ne uzme sljedeći uzorak.

A/D pretvarači

A/D pretvarači pretvaraju analogni u digitalni signal.

2n-1

21

20

Izlaznidigitalnipodaci

Analogniulaz

.

.

.Analogno digitalni pretvarač

(A/D)

Postoji više načina pretvorbe analognog u digitalni signal. Ovdje će biti razmatrana pretvorba koja se temelji na pretvorbi analognog signala u vrijeme, zatim se mjerenju vremena dobije binarni broj (tzv. Wilkinsova metoda)

Pretvaranje ulaznog analognog signala u vrijeme

Mjerenje vremena pomoću elektroničkog sata

D/A pretvarači

D/A pretvarači pretvaraju digitalni u analogni signal.

2n-1

21

20

Digitalniulazi Izlazni

analognisignal

.

.

.Digitalno analognipretvarač

(D/A)

Jedna od izvedbi D/A pretvarača.

Bistabili koji prikazuju binarnu brojku upravljaju strujom čiji je iznos proporcionalan težinskoj vrijednosti bistabila u binarnom brojevnom sustavu.Suma struja proporcionalna binarnoj vrijednosti prikazanoj u bistabilima protječe kroz otpornik R i stvara na njemu napon koji u analognom obliku prezentira binarni broj.

SKLOPOVSKA OPREMA ZA PRIJENOS PODATAKA

Iz mjernog pretvornika signali se mogu prenositi do malih udaljenosti.Kod većih udaljenosti javljaju se greške zbog utjecaja smetnji i zbog gubitka energije (signal slabi).Uređaji za pretvorbu i prijenos pretvaraju signale• u oblik koji se može prenositi• u oblik koji je otporan na smetnje

Odabir prijenosnog uređaja:Prilikom odabira prijenosnog uređaja mora se uzeti u obzir: • udaljenost• točnost prijenosa• količina podataka (brzina prijenosa)• vrsta• tip medija

MEDIJI ZA PRIJENOS PODATAKA

Klasifikacija medija za prijenos • Žičani mediji.

Zahtijevaju da se računala povežu nekom vrstom žice.

– Bakrene žice. – Optička vlakna.

• Bežični mediji. Računala nisu povezana nikakvim materijalom.

Podaci se prenose kroz prostor nekom vrstom elektromagnetskih valova.

– Radio valovi. – Mikrovalovi. – Infracrvene zrake. – Laserske zrake.

Bakrene žice Podaci se prenose pomoću električne struje. Koristi se bakar jer je on dobar vodič električne struje, a još uvijek relativno jeftin. Pojavljuje se problem interferencije – dvije žice induciraju struju jedna u drugoj i tako proizvode smetnju. Konstrukcija pojedinih tipova žica nastoji smanjiti interferenciju. Lagano se savijaju i spajaju. Tradicionalno se primjenjuju za povezivanje računala u LAN.

U upotrebi su tri tipa bakrenih žica: • neoklopljena upletena parica (Unshielded twisted

pair – UTP). • koaksijalni kabel (Coaxial cable – coax)• Oklopljena upletena parica (Shielded twisted pair) -

kombinacija UTP i coax.

Optička vlakna • Mogu prenositi signal na puno veću udaljenost

nego bakrena žica. • Ostvaruju najveću moguću brzinu prijenosa. • Otporne su na elektromagnetske smetnje. • Mogu se donekle savijati, ali ne pod pravim kutom. • Teško ih je spajati i popravljati u slučaju loma. • Primjenjuju se u WAN za povezivanje udaljenih

lokacija, a također i u LAN. • Tanke niti stakla u plastičnim ovojnicama. • Podaci se prenose pomoću svjetla određene boje

kojeg proizvodi light emitting dioda (LED) ili laser.

Radio valovi • Elektromagnetski valovi iz frekventnog raspona koji

se inače koristi za radio ili televiziju. • Podaci se prenose preko valova određene

frekvencije, slično kao radio program. • Računala moraju imati antene za emitiranje i

primanje valova. • Domet ovisi o izabranoj frekvenciji valova. • Primjenjuju se za “wireless” LAN-ove, pogotovo za

spajanje prijenosnika na mrežu.• Također se primjenjuju za uspostavljanje

interkontinentalnih veza između dijelova Interneta. U tom slučaju su potrebni sateliti.

Mikrovalovi • Elektromagnetski valovi iz frekventnog raspona

iznad onog koji se koristi za radio ili televiziju. • Podaci se opet prenose preko valova određene

frekvencije, slično kao radio program. • Za razliku od radio valova, mikrovalovi se mogu

usmjeriti prema jednoj točki, čime se štedi energija i sprečava “prisluškivanje”.

• Također, mikrovalovi mogu nositi više informacija nego radio valovi.

• Mana im je da ne mogu proći kroz neke vrste zapreka. Antene se zato moraju postaviti tako da među njima postoji “optička vidljivost”.

• Primjena je u gradskim WAN-ovima, tamo gdje bi inače bilo skupo polaganje žica.

Infracrvene zrake • Elektromagnetski valovi iz infracrvenog (toplinskog)

spektra, dakle iznad frekventnog raspona mikrovalova, a ispod raspona vidljive svjetlosti.

• Podaci se prenose preko valova određene frekvencije.

• Jeftino rješenje u odnosu na druge bežične medije jer ne zahtijeva antene.

• Infracrvene zrake imaju mali domet, svega nekoliko metara.

• Koriste se za bežično povezivanje uređaja unutar jedne sobe.

Laserske zrake • Podaci se pretvaraju u svjetlo, koji se umjesto

optičkim vlaknima prenosi zrakom. • Koristi se lasersko svjetlo, zato jer ono ima relativno

veliki domet i može se usmjeriti prema jednoj točki. • Primjena je ograničena zato jer laserske zrake ne

mogu proći kroz vegetaciju, snijeg ili maglu. • Prijemnici i predajnici moraju opet biti postavljeni

tako da među njima postoji “optička vidljivost”.

Usporedba raznih vrsta medija • Žičani mediji općenito ostvaruju veće propusnosti,

bolje se mogu zaštititi od “prisluškivanja”, nisu osjetljivi na atmosferske prilike.

• Bežični mediji općenito imaju manju cijenu uvođenja (osim kod satelita), nisu podložni oštećenjima medija, lakše ostvaruju “broadcast” iste poruke većem broju primatelja.

• Kod svih vrsta medija moguće su greške ili gubici pri prijenosu podataka.

• Za ožičenje LAN-a bakar je jeftinije rješenje, a staklo pouzdanije i s većim dometom.

MULTIPLEKSERI

Multiplekser (MUX) je uređaj koji skenira određen broj ulaznih signala i u određenim vremenskim trenutcima prosljeđuje po jedan signal na izlaz. Drugim riječima multiplekser je uređaj koji prima informacije iz više nezavisnih izvora, i prenosi u odgovarajućim vremenskim trenucima samo jednu informaciju na izlaz. Multiplekseri mogu biti:• analogni (ulazni signali su analogni) • digitalni (ulazni signali su digitalni)

...

Ula

zni s

igna

liMULTIPLEKSERIRANJE

Izlazni signal

DEMultiplekser (DEMUX) je uređaj koji na ulazu ima jedan signal te ga u određenom vremenskom trenutku posljeđuje na jedan od više mogućih izlaza. Drugim riječima demultiplekser je uređaj koji prima jednu informaciju na ulazu te je prosljeđuje na odgovarajući izlaz.

...

Izla

zni s

igna

li

DEMULTIPLEKSERIRANJE

Izlazni signal

Multiplekseri/demultiplekseri se mogu koristiti kod prijenosa podataka:• između procesa i računala (ulaz podataka u

računalo) - MUX• između računala i procesa (izlaz podataka iz

računala) - DEMUX

Raču

nalo

A/D

Analogni multiplekser

Senzori Analogna obradasignala

Ulazniinterface

.

.

.

ULAZ PODATAKA U RAČUNALO – uporaba analognog multipleksera

Izlazniinterface

Analogni multiplekseri

Svrha analognog multipleksera je izbjegavanje više A/D pretvarača.

A/D pretvarači su brzi a ulazne veličine mjenjaju se relativno sporo pa je moguće da jedan A/D pretvarač poslužuje više senzora.

Multiplexor usmjerava više analognih signala dobivenih s različitih senzora na jedan analogni izlaz.

Multiplekser svakom signalu na ulazu dodjeljuje određeno vrijeme (engl. time sharing). Na izlazu multipleksera se u jednom trenutku vremena može nalaziti signal samo jednog ulaza.

Vrijeme koje multiplekser dodjeljuje pojedinim ulazima može se razlikovati za različite ulaze.

Računalo upravlja multipleksorom i određuje redosljed “prozivanja” ulaznih signala koji ne mora biti strogo sekvencijalni.

Raču

nalo

A/D

Digitali multiplekser

Senzori Analogna obradasignala

Ulazniinterface

.

.

.

Izlazniinterface

A/D

ULAZ PODATAKA U RAČUNALO – uporaba digitalnog multipleksera

Raču

nalo

D/A

Analogni demultiplekser

Upravljačkičlan

Analogna prilagodba

signala

Izlazniinterface

.

.

.

IZLAZ PODATAKA IZ RAČUNALA – uporaba analognog multipleksera

Izlazniinterface

RAČUNALO

Prima podatke o procesu, te na temelju njih generira upravljačke signala pomoću kojih se utječe na proces.

Upravljanje procesom može biti dislocirano od procesa ili pri samom procesu. Kod složenijih sustava najčešće se koristi kombinacija mikroprocesorski kontrolnih jedinica (Microprocessor Control Unit - MCU) tzv. Mikrokontrolera, pri procesu i dislociranog računala. Pri tome MCU nadziru odnosno upravljaju pojedinih podprocesima te prosljeđuju informacije u nadređeno računalo.

Brodski sustavi

Podsustavi

RAČUNALO

MCU MCU MCU

Senzor Senzor Senzor Senzor Senzor Senzor… … …

Mikroprocesorske kontrolne jedinice (MCU)Prima podatke iz više senzora te na taj način prati i upravlja procesom (npr. kod motora upravlja pripremom gorive smjese, paljenjem smjese, nadgleda sastav ispušnih plinova, te obavlja brojne druge funkcije).Današnje MCU imaju i priključke za dijagnostičke uređaje.

Najvažniji dijelovi mikroprocesorske kontrolne jedinice su mikroprocesor, radna memorija i sklopovi za ulaz i izlaz podataka. U radnoj memoriji (danas je najčešće izvedena u Flash tehnologiji) pohranjen je algoritam upravljanja procesom.