ELEKTROTECHNIKA 3.ročník, odbor TIS

Transcript

1 Stredná priemyselná škola elektrotechnická Hálova 16 Bratislava ELEKTROTECHNIKA 3.ročník, odbor TIS Vypracoval: Bc. Erik Náter

2 OBSAH I. INFORMAČNÝ PROCES 1.1 Informačný proces a jeho fázy 1.2 Informačný systém 1.3 Prenos informácií 1.4 Hardware a software II. SPOJITÁ A ČÍSLICOVÁ TECHNIKA 2.1 Základné a odvodené jednotky informácií 2.2 Číselné sústavy 2.3 Logické funkcie 2.4 Zobrazovanie logických funkcií 2.5 Algebraické výrazy, mapy logických funkcií 2.6 Karnaughová mapa 2.7 Minimalizácia logických funkcií 2.8 Logické obvody 2.9 Kombinačné logické obvody 2.10 Analýza a syntéza KLO 2.11 Návrh KLO 2.12 Kóder, dekóder 2.13 Multiplexor, demultiplexor 2.14 Komparátory 2.15 Sekvenčné logické obvody 2.16 Základné preklápacie obvody RS, JK, D 2.17 Čítače 2.18 Registre III. VLASTNOSTI INTEGROVANÝCH OBVODOV 3.1 Základné pojmy IO 3.2 Technika TTL 3.3 Obvod NE Základné zapojenia z NE 555 IV. ÚVOD DO AUTOMATICKÉHO RIADENIA 4.1 Pojmový aparát 4.2 Mechanizácia a automatizácia 4.3 Vlastnosti systémov a podsystémov riadenia 4.4 Automatické riadenie 4.5 Obvody automatického ovládania 4.6 Programové riadenie 4.7 Stavebnicový systém automatických ovládacích zariadení 4.8 Vstupné členy ovládače, prevodníky, zosilňovače 4.9 Snímače, snímače tlaku a teploty 4.10 Meranie výšky hladiny a polohy V. REGULAČNÁ TECHNIKA 5.1 Základné pojmy regulačnej techniky 5.2 Regulované sústavy (statické reg. sústavy) 5.3 Astatické regulované sústavy 2

3 5.4 Nespojité regulátory (rozdelenie regulátorov) 5.5 Regulačné obvody s nespojitými regulátormi 5.6 Opatrenia na skvalitnenie reg. pochodov pri obvodoch riadených nespojitými reg. 5.7 Spojité regulátory 5.8 Regulačné obvody so spojitými regulátormi 5.9 Akčné členy VI. SIEŤOVÉ NAPÁJANIE 6.1 Rozdiel medzi fázovým, neutrálnym a zemniacím vodičom 6.2 Poistka 6.3 Skrat 6.4 Nebezpečenstvá 6.5 Ľudské telo 6.6 Poskytovanie prvej pomoci pri zásahu el. prúdom 6.7 Istič 6.8 Stýkač 6.9 Prúdový chránič 3

4 I. INFORMAČNÝ PROCES 1.1 Informačný proces a jeho fázy Informačným procesom (IP) rozumieme premyslený a efektívny systém zberu, prenosu, spracovania a uchovania údajov (dát) a informácii. Fázy IP: 1. zber údajov 2. voľba kritérií a pravidiel pre spracovanie údajov 3. triedenie údajov 4. vlastné spracovanie údajov vyhodnotenie, využitie informácie pre rozhodnutie 5. prenos údajov (v informačnom procese sa vyskytuje viackrát) 6. uchovanie (archivácia) údajov pre neskoršie využitie príklad: Rozhodnutie o výbere najvhodnejšieho modelu auta pre podnik 1. zhromažďovanie maxima údajov o dostupných typoch a modeloch áut v požadovanej kategórii 2. stanovenie kritérií pre výber najvhodnejšieho modelu: ktoré vlastnosti berieme do úvahy, stanovenie ich dôležitosti a vytvorenie systému bodovania jednotlivých vlastnosti ( cena, výkon motora, nosnosť, spotreba, spoľahlivosť, životnosť, výbava). Spracujeme do podoby, napr. počítačového programu 3. utriedenie zhromaždených informácií vylúčenie nepotrebných informácií, doplnenie chýbajúcich informácii, utriedenie do kategórii stanovených v bode 2., príprava dát pre hromadné spracovanie 4. spracovanie rozhodovací proces, rozhoduje sa o poradí výhodnosti jednotlivých modelov, utriedené dáta sa pomocou kritérii podľa bodu 2 spracujú (toto vykoná program ), výsledkom je utriedený zoznam, kde na prvom mieste bude najvýhodnejší model auta a ďalšie miesta budú utriedené až po model, ktorý sa podľa našich kritérii ukázal najnevýhodnejší 5. prenos dát utriedený zoznam zašleme zodpovednému pracovníkovi, ktorý na jeho základe rozhodne o nákupe vozidla 6. archivácia zoznam odložíme na neskoršie použitie ( napr. ak sa najvýhodnejší model ukáže ako momentálne na trhu nedostupný, vyberieme ďalší v poradí, alebo pre prípad kontroly na základe čoho sme sa rozhodli o nákupe práve tohto modelu, príp. zoznam poskytneme inej firme ako podklad pre ich rozhodovanie) Jadrom IP je rozhodovací proces, ktorý je vo výpočtovej technike určovaný spravidla programom. 1.2 Informačný systém Informačný systém (IS) je systém na zber, udržiavanie, spracovanie a poskytovanie informácii. Príkladom IS môže byť kartotéka, telefónny zoznam. Systém nemusí byť nutne automatizovaný pomocou počítačov a môže byť aj v papierovej forme. Ciele: strategické (plánovanie investícii), taktické (vedenie, kontrola rozpočtu), operatívne (každodenná rutina) Úlohy: manažérske, taktické, vedenie, expertné, kancelárske, operatívne 4

5 1.3 Prenos informácií Prenos informácie zabezpečuje signál. Signál je fyzikálna veličina. Zmene hodnoty signálu je priradená informácia. Priradenie informácie ku zmene hodnoty signálu je kódovanie. Spôsob priradenia informácie k určitej zmene hodnoty signálu sa nazýva kód. Poznáme analógový signál - číslicový signál - binárny signál Analógový signál plynulé zmeny prenášanej informácie, napr. teploty, tlaku vyžaduje priradenie informácie každej hodnote signálu, takto kódovaný signál sa nazýva analógový. Číslicový signál priradenie informácie iba určitým hodnotám signálu je kódovanie, pri ktorom sa signál mení skokovo po určitých hodnotách. Binárny signál je osobitným číslicovým signálom (dvojkový), ktorý používa na kódovanie iba dve hodnoty signálu, ktoré označujeme ako 1 alebo 0. obr. časový priebeh hodnôt signálu pri rôznom kódovaní 1.4 Hardware (HW) Je technické vybavenie počítača, základnými prvkami PC sú: - základná jednotka (procesor, vnútorná pamäť), - pevný disk - disketové jednotky - vstupné zariadenia (klávesnica, myš) - výstupné zariadenia (monitor, tlačiareň) - prídavné zariadenia (karty, modem, skener, tablet) základná jednotka je hlavnou časťou PC, ovplyvňuje jeho výkon, procesor - vykonáva príkazy zapísané v programoch alebo zadávané používateľom, skladá sa z riadiacej jednotky a ALJ. Vnútorná pamäť operačná pamäť RAM, ROM, CACHE (zvyšuje rýchlosť spracovávania, ukladajú sa v nej najčastejšie používané programy), pevný disk - hardisk (magnetické médium s kapacitou až niekoľko stoviek GB, sú na ňom uložené všetky dôležité programy a dáta), disketové jednotky vonkajšie pamäťové média (DVD, CD ROM) 1.5 Software (SW) Je programové vybavenie počítača, sem patrí: - operačné systémy (programy, ktoré riadia prácu PC, dozerajú na vykonávanie aplikačných programov, riadia prácu prídavných zariadení, bez OS nie je možná práca PC. MS DOS, MS Windows) 5

6 - programovacie jazyky (slúžia na tvorbu nových programov, sú nástrojom pre formulovanie úloh, ktoré má vykonať PC. VISUAL BASIC, TURBO PASCAL, C++, JAVA) - diagnostické a testovacie programy (umožňujú používateľovi programovo otestovať jednotlivé komponenty PC. NORTON UTILITIES, PC TOOLS) - antivírusové programy (vyhľadávajú a odstraňujú počítačové vírusy. TOOLKIT, NOD, AVG) - hry, výukové a multimediálne programy (sú charakteristické spojením textu, zvuku, obrázku a grafiky) - špeciálne programy (účtovné programy, zdravotnícke programy, skladová evidencia) - programy na využitie služieb internetu (MS INTERNET EXPLORER, MS OUTLOOK) - aplikačné programy ( textové editory MS WORD, tabuľkové procesory MS EXCEL, databázové programy MS ACCESS, grafické programy COREL DRAW, ADOBE PHOTOSHOP, ďalej DTP programy na profesionálne spracovávanie textov a grafiky pri tvorbe kníh a časopisov ADOBE IN DESIGN, ďalej CAD programy na automatizáciu inžinierskych prác AUTOCAD, integrovaný software tzv. balíky programov MS OFFICE, komprimačné a archivačné programy šetria diskový priestor ZIP, ARJ, RAR II. SPOJITÁ A ČÍSLICOVÁ TECHNIKA 2.1 Základné a odvodené jednotky informácii Základnou jednotkou informácie je jeden bit ( z angl. binary digit dvojková číslica), ktorý môže obsahovať hodnotu 0 alebo 1. Nadradenou jednotkou informácie je jeden byte (bajt), je to vlastne skupina ôsmich bitov. Zvyčajne je to najmenšia jednotka pamäte počítača používaná na zakódovanie jedného písmena, číslice alebo iného znaku. 8 bitov = 1 byte 256 stavov 8x210 bitov = 210 byte 1 kilobyte 8x220 bitov = 220 byte 210 kilobyte = 1 megabyte 8x230 bitov = 230 byte 220 kilobyte = 210 megabyte = 1 gigabyte 8x240 bitov = 240 byte 230 kilobyte = 220 megabyte = 210 gigabyte = 1 terabyte 2.2 Číselné sústavy Prvé počiatky chápania čísel sa vyjadrovalo zoskupením odpovedajúceho počtu pomocou predmetov, napr. kamienkov, uzlov, neskôr rôznymi značkami, zárezmi a čiarami. Omnoho neskôr si potom človek vytvoril slovné označenie pre číslovky. Číselné sústavy je to množina určitých znakov s pravidlami, ktoré slúžia k zobrazeniu čísel. Pre numerické výpočty vyhovuje desiatková sústava (dekadická). V číslicových počítačoch však nie je vhodné pracovať s desiatky rôznymi číslicami, preto sa používa binárna sústava (dvojková). Vyžaduje rozlíšenie len dvoch úrovní (O a 1). Tieto dve sústavy patria medzi tzv. pozičné sústavy a polyadické sústavy. 6

7 Číselné sústavy polyadické základ Názov číslice 2 dvojková (binárna) 0, 1 3 trojková (triadická) 0, 1, 2 4 štvorková 0, 1, 2, 3 5 Päťková 0, 1, 2, 3, 4 6 Šesťková 0, 1, 2, 3, 4, 5 7 Sedmičková 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 8 osmičková (oktálová) 0, 1, 2,...., 5, 6, 7 9 Deviatková 0, 1, 2,..., 6, 7, 8 10 desiatková (dekadická) 0, 1, 2,.... 7, 8, 9 16 šesťnástková (hexadecimálna) 0, 1, 2,....8, 9, A, B, C, D, E, F Desiatková číselná sústava základ je z = 10, symboly sú 0, 1, 2,.. 8, 9, číslo v desiatkovej sústave je podľa uvedeného zadického rozvoja znázornené nasledujúcim spôsobom: (385) 10 = skrátený zápis je 385 Dvojková číselná sústava je založená na mocninách dvoch, pracuje len s dvoma symbolmi 0, 1. dvojková sústava má základ z = 2. (385) 10 = = ( ) 2 Osmičková číselná sústava pracuje s ôsmimi symbolmi 0,1,...,6, 7 a základ je z = 8 (385) 10 = = (601) 8 Šestnástková číselná sústava pracuje so základom 16 a so šestnástimi symbolmi 1,2,3,.. 8,9,A,B,C,D,E,F kde písmená sú vlastne vyjadrené šestnáskové číslice 10,11,12,13,14,15 (385) 10 = = (181) 16 Prevody medzi polyadickými číselnými sústavami Prevod z desiatkovej do dvojkovej desiatkové číslo delíme dvoma a zapisujeme zvyšky, ktoré tvoria hľadané dvojkové číslo. Prevedieme desiatkové číslo 48 do dvojkovej sústavy: (48) 10 = (110000) 2 zvyšok zapísaný odzadu je hľadané dvojkové číslo: Prevod z desiatkovej do osmičkovej - postup je ten istý, len základ bude číslo 8 Prevedieme desiatkové číslo 345 do osmičkovej sústavy: 345 : 8 = 43 zvyšok 1 43 : 8 = 5 zvyšok 3 5 : 8 = 0 zvyšok 5 tzn. (345) 10 = (531) 8 Prevod z desiatkovej do šestnástkovej spôsob je rovnaký, len čísla od 10 do 15 nahradzujeme symbolmi A až F. 7

8 Prevedieme desiatkové číslo 94 do šestnástkovej sústavy: 94 : 16 = 5 zvyšok 14 t.j. E 5 : 16 = 0 zvyšok 5 tzn. (94) 10 = (5E) 16 Teraz si ukážeme prevádzanie opačne do desiatkovej sústavy. Prevod z dvojkovej do desiatkovej dvojkové číslo rozpíšeme na reťazec mocnín dvoch a ten vyčíslime desiatkovo. Prevedieme dvojkové číslo do desiatkovej sústavy: = = (48) 10 Prevod z osmičkovej do desiatkovej tento prevod je rovnaký ako v predchádzajúcom prípade. Prevedieme osmičkové číslo 531 do desiatkovej sústavy: (531) 8 = = = (345) 10 Prevod zo šestnástkovej do desiatkovej počítame mocninami 16 a musíme správne previesť aj symboly A až F na čísla. Prevedieme šestnástkové číslo E9A do desiatkovej sústavy: (E9A) 16 = = (3738) 10 Nepolyadické číselné sústavy Medzi túto sústavu patrí rímska číselná sústava a číselné sústavy zvyškových tried. Najprv si ukážeme rímsku číselnú sústavu. Rímska číselná sústava je založená na používaní zvláštnych znakov: I 1, X 10, C 100, M 1000, V 5, L 50, D 500 napríklad 262 = CCLXII 2.3 Logické funkcie Logickou funkciou n logických premenných definujeme ako jednoznačné priradenie logických hodnôt 0 alebo 1 stavom nezávisle premenných, ktoré označujeme najčastejšie písmenami zo začiatku abecedy a,b,c,...alebo a 1, a 2, a 3... vzťah nezávisle premenných a logických funkcií (t.j. závisle premenných) je možné vyjadriť buď algebraickým výrazom alebo vo forme pravdivostnej (funkčnej) tabuľky, poprípade rôznymi grafickými spôsobmi (napr. mapy funkcií). Pre n premenných môžeme vytvoriť celkom 2 n kombinácií hodnôt týchto premenných alebo k = 2 n stavov. Počet možných logických funkcií pre n nezávisle premenných, a teda pre k stavov, je L = 2 k = 2 2n n = 1» L = = 2 2 = 4 n = 2» L = = 2 4 = 16 n = 3» L = = 2 8 = 256 Logické funkcie dvoch nezávisle premenných 8

9 - nulová funkcia f 0 = 0 - jednotková funkcia f 1 = 1 - opakovanie (identita) f 2 = a (opakovanie a) f 3 = b (opakovanie b) - negácia (inverzia) f 4 = ā a f 5 = b (negované), je základná logická funkcia grafická závislosť výstupu Z na hodnote vstupu A - logický súčin (konjunkcia) f 6 = a.b, (číta sa a, and, &), logický súčin nadobúda hodnotu 1 len vtedy, ak majú všetky nezávislé premenné hodnotu 1, logický člen, ktorý realizuje funkciu logického súčinu sa nazýva AND alebo a. grafická závislosť výstupu Z na hodnote vstupu - logický súčet (disjunkcia) f 7 = a+b (číta sa alebo, or), je funkcia nadobúda hodnotu 1 vtedy, ak nadobúda hodnotu 1 aspoň jedna z nezávisle premenných, logický člen, ktorý realizuje funkciu logického súčtu sa nazýva OR alebo alebo. grafická závislosť výstupu Z na hodnote vstupu - Pierceova funkcia (negovaný logický súčet, NOR) f 8 = a+b, slovné vyjadrenie ani nadobúda hodnotu 1 len vtedy, ak majú všetky nezávislé premenné hodnotu 0, funkcia vznikne negáciou logického súčtu. 9

10 grafická závislosť výstupu Z na hodnote vstupu - Shefferova funkcia (negovaný logický súčin, NAND) f 9 = a.b, nadobúda hodnotu 0 vtedy, ak majú všetky nezávislé premenné hodnotu 1, v ostatných prípadoch nadobúda hodnotu 1, funkcia vznikne negáciou logického súčinu. grafická závislosť výstupu Z na hodnote vstupu - Totožnosť (ekvivalencia, rovnosť), f 10 = a b,slovné vyjadrenie vtedy, keď, nadobúda logickú hodnotu 1 len vtedy, keď majú nezávislé premenné rovnakú hodnotu. - Nerovnosť (neekvivalencia, rôznoznačnosť, EXOR, XOR), f 11 = a b, slovné vyjadrenie buď.. alebo, nadobúda hodnotu 1 len vtedy, ak majú nezávislé premenné rôzne hodnoty. - Priama inhibícia f 12 = a ǀ b - Spätná (nepriama) inhibícia f 13 = a ǀ b - Priama implikácia f 14 = a b - Spätná (nepriama) implikácia f 15 = a b 10

11 2.4 Zobrazovanie logických funkcií Logické funkcie môžeme vyjadriť rôznymi spôsobmi. K najpoužívanejším patria: - pravdivostná (funkčná) tabuľka - algebraický výraz - grafické znázornenie (mapa logickej funkcie) - schémy (v podkapitole 3.7) Každý spôsob má svoje výhody aj nevýhody a svoje miesto pri návrhu obvodov. 1. Pravdivostná (funkčná) tabuľka Umožňuje systematicky vyjadriť kombinácie hodnôt nezávisle premenných a im odpovedajúce funkčné hodnoty závisle premenných. Jednotlivé kombinácie alebo stavy označujeme stavovým indexom, čo je dekadické číslo, udávajúce poradie logického stavu. Stavový index Vstupné premenné Výstupná Výstupná s a b c funkcia z funkcia y X X X V tabuľke je uvedená určitá funkcia z a neurčitá funkcia y, neurčené (neurčité) stavy sú v tabuľke vyznačené symbolom X. 2.5 Algebraické výrazy, mapy logických funkcií 2. Zostavovanie algebraických výrazov z pravdivostnej tabuľky pravdivostná tabuľka musí obsahovať všetky kombinácie nezávisle premenných, v našom prípade tri premenných a, b, c A B C X Algebraický výraz môžeme zostaviť: - v podobe disjunktívnej, t.j. v podobe súčtu súčinu - v podobe konjunktívnej, t.j. v podobe súčinu súčtu Algebraický výraz zostavíme v podobe disjunktívnej, v tabuľke berieme do úvahy len riadky, v ktorých je výstupná premenná rovná 1. 11

12 A B C X Teraz si vypíšeme výrazy (tie riadky kde je výstupná premenná rovná 1) Ďalej negované vstupné premenné budeme označovať tmavým písmenom inak sa označuje čiarkou nad písmenom Ᾱ. Druhý riadok: A.B.C Piaty riadok: A.B.C Šiesty riadok: A.B.C Siedmy riadok:a.b.c Ôsmy riadok: A.B.C teda: X = A.B.C + A.B.C + A.B.C + A.B.C + A.B.C Algebraický výraz zostavíme v podobe konjunktívnej, berieme do úvahy len tie riadky, v ktorých je výstupná premenná rovná 0. A B C X Prvý riadok: (A+B+C) Tretí riadok: (A+B+C) Štvrtý riadok: (A+B+C) teda: X = (A+B+C). (A+B+C). (A+B+C) Algebraický výraz píšeme v takej podobe, aby bol čo najjednoduchší. Rozhodujúcim činiteľom je počet 0 a 1 v tabuľke. V prípade, keď prevládajú 0, píšeme výraz za 1, teda v podobe súčtu súčinov a naopak. Štandardný zápis logickej funkcie poznáme z toho, že v každom člene algebraického výrazu sú obsiahnuté všetky vstupné premenné. Štandardný zápis môže byť v tvare disjunktívnom aj konjunktívnom. 12

13 A B C X X = A.B.C + A.B.C + A.B.C + A.B.C + A.B.C X = (A+B+C). (A+B+C). (A+B+C) Po zjednodušení: X = A+B.C Dôkaz pomocou pravdivostnej tabuľky Pravdivostná tabuľka musí obsahovať všetky kombinácie nezávisle premenných, v našom prípade tri premenných a,b,c Dôkaz pravdivosti distributívneho zákona: a + (b.c) = (a+b). (a+c) A B c Mapy logických funkcií Logické mapy sú plošné útvary štvorcového alebo obdĺžnikového tvaru, v nich sú kombinácie nezávisle premenných usporiadane maticovo. Pre n vstupných premenných má príslušná mapa 2 n políčok, odpovedajúcich počtu 2 n možných kombinácii týchto vstupných nezávisle premenných. Je možné zostaviť veľký počet máp, najpoužívanejšou je Karnaughova mapa. 2.6 Karnaughova mapa Je zostavená tak, že dvoma susednými políčkami sú priradené kombinácie vstupných premenných líšiacich sa len v hodnote jednej premennej. Príslušná kombinácia vstupných hodnôt určuje len jedno políčko. Nezávisle premenné vyznačujeme po okrajoch mapy ako identifikátory pre určenie riadkov a stĺpcov. Po okrajoch mapy sú k riadkom a stĺpcom pripísané kombinácie núl a jednotiek odpovedajúce vstupným premenným. Karnaughova mapa pre jednu vstupnú premennú Mapa bude mať len dve políčka Karnaughova mapa pre dve vstupné premenné 13

14 Mapa bude mať štyri políčka, pretože existujú práve štyri kombinácie hodnôt dvoch premenných (2 2 = 4). Mapa je rozdelená na dve časti, v hornej polovici je hodnota a=0, v dolnej polovici je a=1. Ak pridáme ďalšiu premennú b a rozdelíme plochu na štyri oblasti, ktorým prislúcha štyri kombinácie premenných a,b dostaneme mapu pre dve premenné. Ako príklad si uvedieme tabuľku pre logickú funkciu OR Karnaughova mapa pre tri vstupné premenné Mapa bude mať osem políčok (2 3 = 8), ako príklad pre logický súčet y = a + b v tabuľke je uvedená ukážka ako určiť polohu príslušného políčka pre dané hodnoty premenných: A=0, B=1, C=1 2.7 Minimalizácia logických funkcií Minimalizácia je postup, ktorým sa dá nahradiť zložitý algebraický výraz výrazom jednoduchším. V praxi existuje rada metód minimalizácie: - priama minimalizácia, t.j. pomocou Boolovej algebry - minimalizácia pomocou karnaughovej mapy - metóda Quineova Mc Cluskeyova Priama minimalizácia môžeme ju prevádzať metódou algebraického skracovania logickej funkcie, vyjadrenej vo forme logického súčinu alebo logického súčtu. Využívame pri tom zákony a pravidlá Boolovej algebry. 14

15 Minimalizácia pomocou Karnaughovej mapy spočíva v nájdení algebraického tvaru funkcie, zvyčajne v disjunktívnom tvare, t.j. v tvare logického súčtu tvoreného logickými súčinmi. Pri minimalizácii postupujeme tak, že susedné políčka obsahujúce jednotky združujeme do tzv. dvojsmyčky (v súčinu chýba jedna premenná), štvorsmyčky (chýbajú dve premenné), tieto smyčky sa môžu prekrývať, za každú smyčku píšeme jeden algebraický výraz v tvare logického súčinu. Z výrazu vypadáva tá premenná (alebo viac premenných), ktorých hranicu smyčka pretína. Všetky logické súčiny sčítame. Pr.: Urobte minimalizáciu funkcie z zakreslenej v KM: v KM nakreslíme jednu dvojsmyčku a jednu štvorsmyčku. Výsledný súčin u dvojsmyčky je bc, výsledný súčin u štvorsmyčky je a, takže výsledná funkcia má hodnotu: z = a + bc Pr.: Urobte minimalizáciu funkcie y zadanej KM. v tomto prípade kreslíme do mapy dve dvojsmyčky. Zvislá dvojsmyčka má hodnotu b(negované).c a vodorovná (rozpolená) dvojsmyčka v prvom riadku má hodnotu a(negované). c(negované), takže výsledná funkcia y=b(neg).c + a(neg).c(neg) 4. Schémy Logické funkcie realizujeme v praxi väčšinou pomocou základných logických členov. Snažíme sa, aby zapojenie logického obvodu bolo čo najjednoduchšie, a preto najprv logickú funkciu niektorou z metód minimalizujeme. Schému môžeme kresliť v podstate dvojakým spôsobom: - kontaktná schéma - bloková schéma Kontaktné schémy kreslíme vtedy, ak sú pre realizáciu obvodu použité kontaktné prvky (relé, stykače), v ostatných prípadoch kreslíme blokové schémy. 15

16 prehľad schematických značiek základných log. členov a odpovedajúce kontaktné zapojenie Kontaktné schémy keď je log. obvod realizovaný pomocou relé, tlačidiel, spínačov atď. Pri kreslení vychádzame z minimalizovaného algebraického výrazu, ktorý obsahuje priame a negované premenne a ich súčin a súčet. K realizácii teda potrebujeme spínacie a rozpínacie kontakty relé, ktoré zapájame do série alebo paralelne. Z= A + B.C na obr. je realizácia logickej funkcie 16

17 Blokové schémy v dnešnej dobe sú logické obvody najčastejšie realizované pomocou číslicových integrovaných obvodov. V praxi kreslíme blokové schémy typu: schéma obsahuje vždy len uvedené typy členov Bloková schéma pre konjunkciu, disjunkciu a negáciu t.j. AND OR NOT obsahuje len členy realizujúce tieto log. funkcie. Blokovú schému pre Pierceovu funkciu NOR možno realizovať len negáciou disjunkcie a negácie, preto musíme algebraický výraz upraviť pomocou pravidiel Boolovej algebry tak, aby obsahoval len tieto funkcie. 17

18 2.8 Logické obvody Logický obvod je skupina logických členov vzájomne spojených tak, aby realizovali žiadané log. funkcie. Vstupné a výstupné signály log. obvodov sú dvojhodnotové. Logické obvody (systémy) rozdeľujeme podľa správania sa do tried podľa nasledujúcej schémy: Logické obvody (systémy) kombinačné sekvenčné synchrónne asynchrónne Tieto dve skupiny obvodov majú spoločnú teóriu, ktorá sa opiera o logickú algebru. Výstupy KLO sú závislé iba na kombinácii vstupov, zatiaľ čo výstupy SLO sú závislé tak ako na kombinácii vstupov, tak aj na ich poradí (t.j. na čase). 18

19 2.9 Kombinačné logické obvody Obvod sa nazýva kombinačný, ak jeho výstupy závisia len na vstupných kombináciách a nie na ich predchádzajúcich hodnotách. Jednej kombinácii vstupných premenných odpovedá jediná výstupná kombinácia. Obvod nemá žiadnu pamäť predchádzajúcich stavov. Medzi KLO patria: - hradlá (NOT, AND, NAND, OR, NOR, XOR, XNOR) - budiče - multiplexor - demultiplexor - kóder - dekóder - sčítačka - násobička - ALJ (ALU) Slovný popis kombinačných logických funkcií: Logická funkcia je popísaná slovným vyjadrením, v ktorom sa používajú aj logické spojky (alebo, a zároveň, a, nie je pravda.. ), napr. : žiarovka sa rozsvieti len vtedy, ak zatlačíme zároveň oba spínače. Popis kombinačných logických funkcií pravdivostnou tabuľkou: Kombinačnú log. funkciu N premenných popisujeme tabuľkou, v ktorej sú uvedené všetky možné kombinácie hodnôt vstupných premenných a príslušná funkčná hodnota. Počet kombinácii (riadkov tabuľky) je rovný 2 N, kde N je počet vstupných premenných Analýza a syntéza KLO Každý log. obvod ako kybernetický systém charakterizuje: - správanie log. obvodu môže byť určené log. funkciou, pravdivostnou tabuľkou, alebo KM - štruktúra log. obvodu vyjadrená schémou zapojenia Podľa toho, čo je začiatočným momentom a čo výsledkom činnosti, rozoznávame dva základné procesy (postupy): - analýza (rozbor činnosti už realizovaného alebo navrhnutého obvodu) - syntéza (postup, pri ktorom zo zadaného správania technologického systému a požiadaviek na jeho riadenie navrhujeme konkrétny log. obvod, realizujúci tieto požiadavky) 19

20 Postup pri analýze: - podľa danej štruktúry, teda schémy, určíme výstupné funkcie jednotlivých členov - podľa vzájomných väzieb medzi jednotlivými členmi a vstupnými veličinami postupným dosadzovaním určíme výsledný výraz algebraické vyjadrenie výstupnej funkcie - pre výstupnú funkciu zostavíme pravdivostnú tabuľku a KM, čím je správanie log. obvodu určené Postup pri syntéze: - etapa systémového návrhu - etapa logického návrhu Etapa systémového návrhu na základe znalostí celého technologického procesu ako riadeného objektu a požadovaného algoritmu riadenia, znalostí blokovacích podmienok a signalizácie si stanovíme cieľ riadiaceho procesu. Ak máme možnosť, urobíme dekompozíciu rozdelenie zložitého systému na jednoduchšie časti, ktoré sú schopné samostatného riadenia. Správanie možno určiť pravdivostnou tabuľkou, KM, časovými diagramami, alebo slovným opisom. Etapa logického návrhu zo zadaného správania riadiaceho podsystému vyjadríme v algebraickej forme logickú funkciu a podľa možnosti ju minimalizujeme. Zvolíme si vhodné logické členy a funkciu realizujeme dostávame štruktúru (schému) systému Návrh kombinačných logických obvodov Požiadavky na správanie log. obvodu sú obyčajne dané tabuľkou stavov vstupných a výstupných premenných. V niektorých prípadoch je činnosť obvodu formulovaná len písomne alebo dokonca len ústne, a preto musíme pravdivostnú tabuľku na základe rozboru zadania zostaviť. Najdôležitejšie je určiť počet vstupných a výstupných premenných daného obvodu, označiť ich a priradiť im logické hodnoty 0,1. Z pravdivostnej tabuľky zostavíme logickú funkciu vo forme algebraického výrazu v konjunktívnom alebo disjunktívnom tvare. Funkcia zostavená z tabuľky je síce správna, ale väčšinou zbytočne zložitá. Aby bol log. obvod čo možno najjednoduchší a tým aj spoľahlivý a lacný, musíme previesť minimalizáciu logickej funkcie, pre ňu je vypracovaná rada metód. K najpoužívanejším patrí zjednodušovanie pomocou zákonov Boolovej algebry. Minimalizovaný výraz ešte overíme pomocou KM. Pri zjednodušovaní log. funkcií musíme mať na mysli logické prvky, z ktorých chceme log. obvod zostaviť. Posledným bodom pri návrhu KLO je jeho schéma, ktorá je podkladom pre jeho technickú realizáciu. Východiskom pre jeho nakreslenie je minimalizovaný algebraický výraz Kóder, dekóder Kóder je zariadenie s veľa vstupov a výstupov, ktoré automaticky prevádza informácie z pôvodného alebo prirodzeného súboru znakov do iného (prevádza zakódovanie informácie). V užšom slova zmyslu je kóder zariadenie pre prevod desiatkových do binárneho kódu. Je to KLO, ktorý prijíma jeden alebo viac vstupov a generuje niekoľkobitový binárny výstupný kód. 20

21 Kóder desiatkového vstupu klávesnice na kód BCD: Princíp: po stlačení klávesy 6 sa otvorí hradlo B a C. ostatné ostávajú zavreté. Ak si tento výstup prepíšeme do binárnej sústavy, dostaneme kód: D C B A čo predstavuje číslo 6 Dekóder je zariadenie s veľa vstupmi a výstupmi, slúžiacimi pre automatický prevod informácii z jedného kódu do iného, má opačnú funkciu ako kóder. V užšom slova zmyslu je to zariadenie pre prevod binárneho čísla na desiatkové. Je KLO, ktorý zisťuje prítomnosť špecifického binárneho slova. Prítomnosť tohto slova indikuje na výstupe logická 1. Základným dekódovacím členom je AND, dekóder pre vstupné číslo O1: 2.13 Multiplexor, demultiplexor Multiplexor je vlastne obdoba prepínača, ktorým sa informácia prítomná na jednom z niekoľko vstupov prenáša na jediný výstup (ktorý bol zvolený adresou). Vstup, z ktorého má byť informácia prenesená, sa určí adresou v dvojkovom kóde na adresovacom vstupe. Ide teda o obvod pre výber dát. Ďalej môžu byť doplnené vstupy pre odstavenie obvodu. Multiplexory sú kombinačnými sieťami a sú podobné dekóderom. Sú teda prepínacie obvody, ktoré z niekoľko vstupných premenných prepínajú na jeden výstup podľa hodnôt riadiacich signálov. Demultiplexor je prepínací obvod, ktorý jeden dátový vstup prepína na niekoľko výstupov podľa riadiaceho signálu. Je to v zásade obrátený multiplexor. Prepínanie je, podobné ako u multiplexoru, riadené adresovými vstupmi. Funkcia demultiplexoru je rovnako podobná funkcii prepínača, samozrejme opačná oproti multiplexoru. Ak z jedného vstupu prevádzame signál do niekoľkých výstupov, kde voľbu výstupu opäť zaisťujeme adresovacími vstupmi. 21

22 schematické znázornenie multiplexného prenosu dát 2.14 Komparátory Komparátor je KLO pre porovnávanie hodnôt na vstupe, pričom vyhodnocuje tri základné stavy: a to či je hodnota A menšia ako B, či je hodnota A väčšia ako B, či sa hodnota A rovná B Najjednoduchším komparátorom je logický člen XNOR vracia log. 1 ak sa hodnoty vstupov rovnajú. Rozdelenie komparátorov: - jednobitový hodnotový komparátor (obvod s dvoma vstupmi A,B, ktoré reprezentujú dve porovnávané hodnoty. Na výstupe dostávame signál o zhodnosti, prípadne rozdielnosti týchto dvoch hodnôt. - paralelný komparátor zhodnosti (kombinačný modul, ktorý porovnáva rovnoľahlé bity dvojkových čísel a generuje výstupné hlásenie. - paralelný komparátor relatívnej veľkosti (kombinačný modul, ktorý porovnáva absolútnu hodnotu dvojkových čísel a rozhoduje či sú zhodné alebo nie Sekvenčné logické obvody Sekvenčné obvody sú digitálne elektronické obvody, u ktorých závisí stav výstupov okrem aktuálneho stavu vstupov aj od minulého stavu vstupov. Znamená to, že sekvenčné obvody majú pamäťové vlastnosti. Sekvencia je vlastne časová postupnosť. Tieto obvody delíme na dve skupiny: - synchrónne (celý obvod je riadený z jedného zdroja hodinového signálu - asynchrónne (nepoužívajú hodiny, reagujú rovno na zmenu vstupu, trochu zložitejšie na návrh ako synchrónne) 22

23 Časť sekvenčných obvodov je konštruovaná tak, že sa ich výstupy menia, len ak sa mení v niektorom smere jeden zo vstupov, tzv. hodinový vstup (clock). Táto reakcia môže byť na nábežnú hranu (zmena z 0 na 1) alebo dobežnú hranu (zmena z 1 na 0) hodinového signálu, zriedkavo aj na obe hrany. Sekvenčné obvody majú obvykle aj vstup pre reset, ktorým sa obvod dá uviesť do definovaného (počiatočného) stavu, napr. po pripojení napájacieho napätia. Medzi typické sekvenčné obvody patria: - preklápacie obvody - čítače - registre - pamäte - mikroprocesory 2.16 Základné preklápacie obvody RS, JK, D Poznáme tieto PO: - RS klopný obvod - RST klopný obvod - D klopný obvod - JK klopný obvod 23

24 24

25 2.17 Čítače Čítače sú sekvenčné obvody, ktoré slúžia k čítaniu impulzov. Sled vstupných impulzov v nich vyvoláva zmeny stavov pamäťovej časti, t.j. zmeny stavov klopných obvodov. Tieto stavy možno vnútornými obvodmi previesť na zobrazovač, čím sa získajú informácie vo vizuálnej forme pre ďalšie spracovanie, alebo sa elektrické signály na výstupe čítača využívajú pre riadenie rôznych procesov. Veľmi rozsiahle je využitie čítačov v meracej technike a vo výpočtovej technike. Deliče kmitočtov slúžia k zníženiu opakovacieho kmitočtu sledu impulzov jeho delením celým číslom. Deliče kmitočtu majú rovnakú štruktúru ako čítače, rozdiel je však vo vyvedení výstupu a v aplikáciách. Delenie čítačov: 1. podľa možnosti nastavenia dĺžky cyklu (modulu): - so stabilnou dĺžkou cyklu - s nastaviteľnou dĺžkou cyklu 2. podľa kódu v ktorom čítajú: - dvojkové - desiatkové - čítače čítajúce v špeciálnom kóde 3. podľa smeru čítania: - jednosmerne čítajúci vpred (count up) - jednosmerne čítajúci späť (count down) - obojsmerne (umožňujúci podľa voľby čítať vpred alebo späť) 4. podľa možnosti riadenia hodinovými impulzmi - asynchrónne (bez možnosti riadenia synchronizačnými impulzmi) - synchrónne (riadené taktovacími, hodinovými impulzmi) 2.18 Registre Registre sú pamäťové miesta umiestnené na čipe procesora. Slúžia k záznamu binárne kódovaných informácii a ich ďalšiemu spracovaniu. Skladajú sa z klopných obvodov a z kombinačných, obvykle veľmi jednoduchých prepojovacích obvodov. Umožňujú rýchlejší prístup k operandom aritmetických a logických operácii, používajú sa na výpočet adresy operandu alebo inštrukcie a na riadenie procesora. Registre rozdeľujeme podľa spôsobu zobrazenia a výberu informácii na registre: 25

26 - paralelné (pamäťové) slúžia ako pamäť pre niekoľko bitov len so súčasným (paralelným) zápisom aj s paralelným výstupom bitov zaznamenávaného kódovaného slova - sériové alebo posuvné (shift) s posunom zaznamenaných bitov vpred alebo späť, prípadne s voliteľným smerom posuvu, posuvné registre môžu mať paralelný alebo sériový vstup a výstup - kruhové registre v ňom môžu informácie prebiehať stále dookola Využitím registrov sa môžu uskutočňovať rôzne operácie: - prevzatie informácii z iného funkčného bloku, napr. z pamäte alebo čítača (zápis a zapamätanie) - predanie informácií do iného funkčného bloku (čítanie) - pretváranie informácie (inverzia všetkých bitov určitého kódového slova) - posuv uloženého slova vpred (vpravo) o určitý počet miest, alebo tiež kruhový posuv - premena zobrazenia v sériovom kóde na paralelný a naopak - realizácia logických operácii III. VLASTNOSTI INTEGROVANÝCH OBVODOV 3.1 Základné pojmy IO Integrovaný obvod (IO) je funkčný celok vytvorený na jednom chipe. Obsahuje viacero prvkov predovšetkým tranzistory (aktívne súčiastky), diódy, rezistory, kondenzátory (pasívne súčiastky). Teda ide o spojenie (integráciu) veľa jednoduchých elektronických súčiastok, ktoré spoločne tvoria elektrický obvod, vykonávajú nejakú zložitejšiu funkciu. IO rozdeľujeme podľa toho s akým druhom signálu pracujú: - analógové (spojité) pracujú so spojitým signálom a ich predstaviteľom je OZ - číslicové (nespojité digitálne) pracujú s digitálnym signálom ich predstaviteľom sú logické obvody. podľa stupňa integrácie: - SSI malá integrácia (Small Scale Integration) - MSI stredná integrácia (Middle Scale Integration) - LSI vysoká integrácia (Large Scale Integration) - VLSI veľmi vysoká integrácia (Very Large Scale Integration) 26

27 IO ďalej možno rozdeľovať podľa nasledovných kritérií: - unipolárne a bipolárne obvody - programovateľné a neprogramovateľné obvody - sériové a zákazkovo vyrábané obvody Teplotný rozsah - pre praktické použitie je jedným z najdôležitejších parametrov IO ich teplotná špecifikácia, najbežnejšie sú: - komerčný teplotný rozsah (0 až +70 C) - priemyselný teplotný rozsah (-40 až +85) - rozšírený/vojenský teplotný rozsah (-40 až +125) - automobilový teplotný rozsah (-55 až +125) Výhody a využitie IO Medzi výhody IO patria: - miniaturizácia - stále sa zvyšujúci výkon - nižšie energetické nároky na prevoz - spoľahlivosť - hromadná sériová výroba znižuje cenu IO sa využívajú v spotrebnej elektronike, ale aj v rôznych vedeckých zariadeniach, niektoré zariadenia obsahujú IO: - televízia, videa, satelitné prijímače, diaľkové ovládania - rádia, CD, MP3i, MP4 prehrávače - digitálne hodinky, kalkulačky - mobilné telefóny, vysielačky, GPS prijímače - fotoaparáty - počítače, tlačiarne, monitory, PDAčka - automobily, lietadla - lekárske, vedecké a meracie prístroje. 3.2 Technika TTL TTL znamená tranzistorovo tranzistorová logika (teda znamená to, že vstupy aj výstupy tvoria bipolárne tranzistory. Napájacie napätia pre TTL musia byť presné (U CC = +5V). 27

28 3.3 Obvod NE GND elektrická zem obvodu 1 TR úroveň spúšťania 2 OUT výstup 3 RST nulovanie 4 CV riadiace napätie (0V) 5 TH prahová úroveň 6 DIS vybíjanie 7 +U CC napájacie napätie Obvod NE555 (skonštruovaný začiatkom 70-tych rokov 20. storočia), je určený pre použitie do časovacích obvodov a generátorov impulzov. Jeho vnútorná štruktúra je na obr. Je to vlastne bipolárny obvod analógovo číslicový. Analógovú časť tvoria vstupné obvody (komparátory K 1 a K 2 ) a výstupné obvody (koncový stupeň s tranzistormi T 1 a T 2 a spínací tranzistor T 3 ). Číslicovú časť tvorí R-S preklápací obvod realizovaný hradlom H 1. Tranzistor T 4 umožňuje blokovanie činnosti R-S preklápacieho obvodu. Tri rovnaké rezistory o hodnote 5kΩ nastavujú riadiace napätia pre komparátory K 1 a K 2. katalógové údaje NE Základné zapojenia z NE 555 Poznáme tieto základné zapojenia: - APO (astabilný preklápací obvod) - MPO (monostabilný preklápací obvod) - časový selektor 28

29 APO vyznačuje sa tým, že samovoľne prechádza z jedného stavu do druhého. Slúži na generovanie obdĺžnikového signálu s rôznou frekvenciou. V čase nabíjania C x je na výstupe napäťová úroveň Ucc, to znamená, že T 1 je otvorený a T 2, T 3 sú zatvorené. Kondenzátor Cx sa nabíja cez rezistory R 1 a R 2. MPO Ako vidno na obr. na rozdiel od APO je tu vynechaný rezistor R 2 a vývod 7 je spojený priamo s vývodom 6, naopak, vývod 2 tvorí vstup, na ktorý privádzame spúšťacie napätie U spúšť, tento vstup musí byť ošetrený pomocou R 3 a diódou D (R 3 zabezpečuje na vývode 2 kľudový potenciál rovný U CC a dióda zabezpečuje odrezanie kladných impulzov špičiek za derivačným kondenzátorom, pretože na vstup 2 sa nesmie priviesť napätie väčšie ako je +U CC. Tento obvod má jeden stabilný a jeden nestabilný stav. Používa sa tam, kde je potrebné využiť jeden impulz definovanej dĺžky, obvod zostáva v stabilnom stave trvale. Po privedení vonkajšieho impulzu prejde obvod do nestabilného stavu, v ktorom zotrváva určitý čas, ktorý závisí od vonkajších prvkov. Potom prejde opäť do stabilného stavu a zotrvá v ňom dovtedy, kým neprivedieme ďalší impulz. 29

30 Časový selektor je to obvod, kde na výstupe sa objaví impulz len vtedy, ak dĺžka trvania vstupného impulzu spĺňa predpísané časové kritérium. Úlohou je teda výber (rozlíšenie) impulzov podľa ich dĺžky, teda ich časového trvania. V kľude je C t vybitý a na výstupe 3 obvodu je napätie U B rovné 0V. Tranzistor T 2 je preto zatvorený. Podobne je zatvorený aj tranzistor T 1, pretože na jeho bázu je privádzaný potenciál zeme cez R 2. IV. ÚVOD DO AUTOMATICKÉHO RIADENIA 4.1 Pojmový aparát Proces postup diania, určitý priebeh zmien, ktorý môže nadobúdať zákonitosť sledu. Napr. výrobný proces, pracovný proces a pod. Systém určitá sústava usporiadania častí, tzv. podsystémov. Vzťahy podsystémov môžu charakterizovať zákonitosť, pravidelnosť, účelnosť a pod. napr. systém pohonu. obr. bloková schéma systému pohonu Vstupy a výstupy môžu byť látkové - energetické - informačné informácia údaj (správa) o hodnote určitej veličiny veličina pojem opisujúci určité vlastnosti (látky, zmeny, javu), ako objem, teplota, rýchlosť riadenie zámerné ovplyvňovanie zmien na riadenom systéme, napr. zapnutie obrábacieho stroja, otvorenie ventilu na tlakovej nádobe. 30

31 4.2 Mechanizácia a automatizácia Proces vývoja technických systémov, ktoré oslobodzujú človeka od opakujúcej sa fyzickej práce, sa nazýva mechanizácia. V etapách vývoja sa objavovali technické revolúcie (objav kolesa, využitie premeny energie v motoroch). Úroveň mechanizácie aj v oblasti riadiacich systémov vyžaduje zostrojenie samočinne pracujúcich systémov bez zásahu človeka automatov. Proces vývoja a konštrukcie samočinne pracujúcich systémov, ktoré oslobodzujú človeka od duševnej riadiacej a kontrolnej činnosti, sa nazýva automatizácia. Automatická výroba sa uskutočňuje bez priamej účasti človeka. Riadenie vykonáva automatické zariadenie, takže celý systém pracuje samočinne. Automatizácia vyžaduje zvyšovanie kvalifikácie pracovníkov, znižuje počet pracovníkov, zväčšuje výrobné kapacity, zvyšuje kvalitu výrobkov. Výroba je efektívnejšia a znižuje nároky na energiu, zväčšuje bezpečnosť pri práci. Keďže vylučuje nedostatky ľudského faktora, umožňuje zaviesť výrobné procesy aj tam, kde to doteraz nebolo možné. Proces automatizácie a stupeň jej aplikácie v technike závisí od úrovne mechanizácie. Úroveň automatizácie zásadne ovplyvňujú automatické riadiace systémy. Automatizovať možno len procesy, ktoré sú podrobne analyzované a pripravené na realizáciu automatického riadenia. 4.3 Vlastnosti systémov a podsystémov riadenia Vlastnosti systémov (zariadení, alebo ich častí) sa dajú posudzovať podľa informácií zistených na vstupoch a výstupoch jednotlivých systémov. Získavanie informácií sa dá uskutočňovať meraním statických a dynamických vlastností systému (charakteristika). signály na meranom člene Statická charakteristika - závislosť hodnôt výstupného signálu od vstupného signálu odčítavaných z ustálených stavov. Na vodorovnú os súradníc charakteristiky sa vždy nanášajú hodnoty nezávisle premennej veličiny, t.j. vstupného signálu. Priebeh závislosti sa zhotovuje buď manuálnym meraním bod po bode, alebo pomocou súradnicového zapisovača. statická charakteristika Dynamická prechodová charakteristika - závislosť zmeny hodnoty signálu od času. Pri posudzovaní vlastností člena, alebo zariadenia zloženého z viacerých členov treba na vstupe zabezpečiť skokový priebeh signálu (okamžitá zmena). Odozvu na výstupe možno pri pomalých zmenách odmerať bod po bode, alebo zaznamenať vhodným zapisovacím zariadením. 31

32 prechodové charakteristiky 4.4 Automatické riadenie Technologické zariadenie, ktorým sa dá meniť hodnota výstupnej veličiny, predstavuje systém, ktorý bez vplyvu iného systému vykonáva ľubovoľnú zmenu na výstupe. V takomto stave systém nie je riadený. Funkcia člena Napr.: zmiešavanie teplej a studenej vody bez ovládacích ventilov má na výstupe teplotu vody voľne závislú od náhodných zmien teploty teplej a studenej vody. Ak sa má teplota vody meniť zámerne, treba priradiť ďalší systém, ktorý činnosť nezávislého systému začne ovplyvňovať podľa požadovaného cieľa. Takúto činnosť nazývame riadenie. Systém zámerne pôsobiaci na technologický systém, ktorý mení hodnotu nejakej veličiny, sa nazýva riadiaci systém riadiaci člen. Riadiacim členom môže byť: - človek: takýto systém nazývame ručné riadenie - technický systém: takýto systém nazývame automatické riadenie 32

33 Ovládanie riadenie, pri ktorom riadený člen jednoznačne plní príkazy riadiaceho člena. Ovládanie je riadenie bez spätnej väzby ( informácie ). Regulácia riadenie, pri ktorom riadený člen mení hodnotu regulovanej veličiny. Neustála spätná informácia o výstupe z riadeného člena spätná väzba zabezpečuje zmenu príkazov z riadiaceho člena. Kybernetické riadenie riadenie s optimalizáciou je riadenie so spätnou väzbou, pri ktorom účelné riadenie riadiaceho člena ovplyvňuje ešte optimalizačný člen, ktorý vie na základe zvolených kritérií nastaviť optimálne podmienky riadenia (činnosť riadiaceho člena). Prehľad základných pojmov Pojem Definícia Mechanizácia Proces vývoja technických systémov na odstránenie opakujúcej sa namáhavej fyzickej práce človeka. Automatizácia Proces vývoja konštrukcie samočinne pracujúcich systémov na odstránenie riadiacej a kontrolnej činnosti človeka. Informácia Údaj o hodnote určitej veličiny. Signál Fyzikálna veličina, ktorá je nositeľom informácie. Informácia je priradená zmene signálu kódovaním. Ovládanie Riadenie bez spätnej informácie o vykonaní určitej činnosti riadeného člena. Regulácia Riadenie so spätnou informáciou o priebehu regulačného procesu na dosiahnutie určitej hodnoty riadenej veličiny. Charakteristika Opis funkčnej závislosti (slovne, matematicky, graficky). Analógový signál Signál, na ktorom je informácia priradená každej hodnote. Číslicový signál Signál, na ktorom je informácia priradená určitým hodnotám. 33

34 Statická charakteristika Dynamická charakterist. Grafické znázornenie závislosti hodnôt výstupného signálu od vstupného signálu odčítaných z ustálených stavov. Grafické znázornenie závislosti zmien hodnoty signálu od času. 4.5 Obvody automatického ovládania Automatická signalizácia Automatická signalizácia dáva informáciu obsluhe o stave ovládaného zariadenia, upozorňuje obsluhu na poruchy alebo na nebezpečenstvo vzniku úrazu. Signalizáciu môžeme znázorniť blokovou schémou: Príklady signalizácie: - signalizácia zapnutia diaľkových svetiel ich zapnutí sa rozsvieti aj signálka na prístrojovej doske, - signalizácia tlaku oleja v mastiacej sústave automobilu ak je nedostatočný tlak oleja, tak tlakový olejový spínač spojí obvod signálky mastenia, - signalizácia paliva v palivovej nádrži, - príkladom kombinovanej signalizácie je signalizácia na železničnom priecestí kmitajúce červené svetlo je opticky prerušovaný signál, ktorý je umocnený zvukovým signálom Automatická ochrana Pri automatickom blokovaní nie je možné uviesť stroj alebo zariadenie do chodu, ak nie sú splnené určité vopred stanovené podmienky. Blokovanie chráni obsluhu, alebo dopravované osoby pred úrazom alebo zabraňuje vzniku nepodarkov. Príklady blokovania: 1. obrábací stroj je vybavený krytom pracovného priestoru. Ak kryt neuzatvára pracovný priestor, stroj nie je možné uviesť do chodu. 2. osobný výťah sa dá uviesť do chodu stlačením tlačidla zvoleného poschodia len vtedy, ak sú zatvorené dvere výťahu. 3. NC OS s automatickým podávaním a upínaním obrobkov sa uvedie do chodu len vtedy, ak je správne upnutý obrobok Automatická kontrola Pri výrobe strojových súčiastok, ide aj o kontrolu geometrických rozmerov súčiastok. Podľa funkcie, ktorú kontrola plní, delíme ju na kontrolu pasívnu a aktívnu kontrolu. 34

35 Pasívna kontrola Pri tejto kontrole sa zisťujú rozmery výrobkov po ukončení výrobnej operácie. Výsledky kontroly neovplyvňujú technologický proces. Podľa výsledkov kontroly sa súčiastky roztriedia na dobré a na nepodarky. Aktívna kontrola Kontrolu nazývame aktívnou, ak výsledky merania ovplyvňujú technologický proces. Cieľom kontroly je výroba bez nepodarkov, alebo riziko ich vzniku znížiť na minimum. Podľa toho kedy sa táto kontrola uskutočňuje, delíme ju takto: a) predoperačná aktívna kontrola (používa sa na vstupe do výrobných liniek, jej úlohou je zabrániť aby sa do obrábacieho stroja dostali nepodarky), b) operačná kontrola (sa uskutočňuje počas obrábania priamo na obrábacom stroji), c) pooperačná aktívna kontrola (uskutočňuje sa až po dokončení operácie. Tento spôsob kontroly sa používa vtedy, keď nie je možné použiť operačnú kontrolu). Prehľad základných pojmov Pojem Definícia Automatická Signalizácia, ktorá dáva informáciu obsluhe o stave ovládaného signalizácia zariadenia, ale nezasahuje do činnosti zariadenia. Automatické Spôsob ochrany zariadenia pred poruchu alebo haváriou, ak nie sú blokovanie splnené určité dopredu stanovené podmienky. Automatická ochrana Chráni zariadenie, alebo elektrický obvod pred preťažením, používa sa aj na ochranu obsluhy. Automatická kontrola Technická kontrola geometrických rozmerov vyrábaných súčiastok, môže byť pasívna a aktívna. Pasívna kontrola Výsledky kontroly neovplyvňujú technologický proces, v procese kontroly sa výrobky triedia na dobré a nepodarky. Aktívna kontrola Výsledky merania ovplyvňujú technologický proces, podľa výsledkov kontroly sa nastavujú obrábacie stroje. 4.6 Programové riadenie Tento spôsob riadenia sa používa vtedy, keď riadený systém vykonáva činnosť, ktorá je vopred jednoznačne známa, sú známe jednotlivé kroky, ktoré sa majú uskutočniť v pevne stanovenom a nemennom slede v závislosti od času. Program je zaznamenaný na vhodné pamäťové médium. Niektoré pamäťové média neumožňujú meniť program, sú to napr. krivkové bubny, šablóny. Pri týchto prostriedkoch je program zaznamenaný v tvare krivky bubna. Je to riadenie s pevným programom. Takéto riadenie nazývame aj nepružné riadenie. Program je rad príkazov, ktoré sa postupne vykonávajú v určitom poradí na základe stavov vstupných signálov. Obrábacie stroje, ktoré majú takéto riadenie, sú jednoúčelové automaty. Protipólom nepružného riadenia sú pružné riadiace systémy, pri nich je možné v pomerne krátkom čase zmeniť program. Programové zariadenia môžeme deliť na: - mechanické programové zariadenia, - programové zariadenia s časovým relé, - programové zariadenia s dierovanou páskou, - pneumatické programové zariadenia s taktovacími reťazcami, - programové pole, - kopírovacie systémy, 35

36 - programovateľný logický automat PLC. 4.7 Stavebnicový systém automatických ovládacích zariadení Logický obvod, realizovaný elektrickými logickými prvkami, môže spracovávať len elektrické signály, podobne pneumatický obvod (realizovaný pneumatickými prvkami), môže spracovávať len pneumatické signály. Týmto požiadavkám treba prispôsobiť aj vstupný člen. V niektorých prípadoch nie je možné použiť vstupný člen, ktorý by bol kompatibilný. V takomto prípade medzi vstupný člen a logický obvod treba zaradiť člen, ktorý premení signál zo vstupného člena na signál, ktorý je schopný logický člen spracovať na výstupný signál. Tento člen nazývame menič alebo prevodník. 4.8 Vstupné členy ovládače, prevodníky, zosilňovače Ovládače Pomocou vstupných členov sa do logického obvodu vkladajú vstupné informácie. Tieto členy majú rôzne konštrukcie, ale vždy obsahujú ovládaciu časť a prepínaciu časť. Pri ručnom ovládaní ovládaciu časť tvorí tlačidlo, páčka, pri nožnom ovládaní je to pedál. Podľa energie, s ktorou vstupný člen pracuje, prepínacia časť je pneumatická alebo elektrická Prevodníky Prevodník je zariadenie, ktoré mení signály z predchádzajúceho člena na signály, ktoré je možné spracovať v nasledujúcom člene. Prevodník teda mení fyzikálnu podstatu signálu, napr. elektrický signál na pneumatický signál. Podľa charakteru vstupnej a výstupnej veličiny môžeme prevodníky deliť podľa nasledujúcej schémy: 36

37 4.8.3 Zosilňovače Zosilňovač je zariadenie, ktoré transformuje vstupný signál na signál výstupný tej istej fyzikálnej podstaty, rovnakého priebehu, ale na výstupe s väčšou využiteľnou energiou. Pochopiteľne, v zosilňovači nevzniká energia, ale signál sa zosilňuje na úkor pomocnej energie dodávanej zo zdroja. Podľa druhu zosilňovaného signálu sa zosilňovače delia na pneumatické, hydraulické a elektrické. 4.9 Snímače Sú vstupné členy, ktoré slúžia na získanie informácií o priebehu regulovaných fyzikálnych veličín. Nazývame ich aj snímače fyzikálnych veličín. Zameriame sa na meranie fyzikálnych veličín, ktoré sa najčastejšie vyskytujú v regulačnej technike ( tlak, teplota, výška hladiny, obrátky, poloha) Snímače tlaku Oboznámime sa s týmito tlakomermi: kvapalinové, deformačné, piezoelektrické. Kvapalinový tlakomer tieto tlakomery tvoria dve spojené trubice, ktoré sú čiastočne naplnené kvapalinou, napr. ortuťou. Poznáme manometre v tvare U trubice, ale tie nie sú vhodné na regulačné účely. Na tieto účely je vhodný plavákový diferenčný tlakomer. Deformačné tlakomery funkčnou časťou týchto tlakomerov je prvok, ktorý sa pôsobením tlaku deformuje. Veľkosť deformácie je mierou tlaku. Piezoelektrické snímače tieto snímače využívajú piezoelektrický jav. Deformáciou kryštálov niektorých látok v určitých smeroch vzniká na stenách kryštálu elektrický náboj. Používa sa kryštál kremeňa. Tieto snímače sa používajú na meranie tlaku, sily, tlaku kvapalín, mechanického napätia Snímače teploty Tieto snímače využívajú zmenu niektorých fyzikálnych veličín tuhých, kvapalných a plynných látok so zmenou teploty. Delíme ich na: - dilatačné kvapalinové teplomery - dilatačné tyčové teplomery (využívajú zmenu dĺžky kovovej súčiastky v závislosti od teploty), - tlakové kvapalinové teplomery (využívajú zmenu tlaku kvapaliny v závislosti od teploty), - dvojkovové teplomery (je zložený z dvoch kovových pásikov, ktoré sú spolu pevne spojené), - odporové teplomery (využívajú zmenu elektrického odporu kovových vodičov so zmenou teploty), - termoelektrické teplomery (tvoria ho dva vodiče z rôznych materiálov, ktoré sú na jednom konci spojené) Meranie výšky hladiny a polohy Meranie výšky hladiny Ide o plavákový stavoznak, ultrazvukové meranie výšky hladiny 37