ΒΑΣΙΚΗ ΔΟΜΗ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ

Transcript

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ενότητα 2.1 ΒΑΣΙΚΗ ΔΟΜΗ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ ΣΤΟΧΟΙ Μετά την ολοκλήρωση της ενότητας αυτής θα μπορείτε: Να περιγράφετε ένα απλό σύστημα Αυτοματισμού Να διακρίνετε ένα Ανοικτό από ένα Κλειστό σύστημα Αυτοματισμού Να δίνετε παραδείγματα Ανοικτών και Κλειστών συστημάτων Αυτοματισμού Εισαγωγή Ο αυτοματισμός περιλαμβάνει σχεδόν κάθε μηχανισμό ή συσκευή που ελαττώνει το ποσό της ανθρώπινης προσπάθειας, μυϊκής ή διανοητικής, που είναι αναγκαία για την εκτέλεση μιας εργασίας. Η τάση που επικρατεί σήμερα για μαζική παραγωγή προϊόντων με το χαμηλότερο δυνατό κόστος, οδήγησε τη βιομηχανία να εφαρμόζει τεχνικές αυτοματοποιημένων και προγραμματιζόμενων εργασιών στις μηχανές που χρησιμοποιεί. Η τεχνολογική εξέλιξη και η πολυπλοκότητα των εφαρμογών καθιστά επιτακτικότερη την ανάγκη διαλόγου μεταξύ ανθρώπου και μηχανής. Ο «διάλογος» αυτός στο σύγχρονο αυτοματισμό έχει μια αμφίδρομη σχέση. Ο άνθρωπος έχει τη δυνατότητα να δίνει εντολές για την εκτέλεση συγκεκριμένων εργασιών μέσω χειριστηρίων, πληκτρολογίων και λογισμικού. Σχ Διάλογος ανθρώπου-μηχανής 1

2 Η μηχανή, αφού επεξεργαστεί τις εντολές που δέχεται με μια συγκεκριμένη λογική ακολουθία (πρόγραμμα), τις εκτελεί και ενημερώνει τον άνθρωπο για κάθε φάση λειτουργίας της ακόμα και στην περίπτωση βλάβης. Η ενημέρωση αυτή γίνεται είτε με φωτεινές ενδείξεις, είτε με ηχητική σήμανση είτε στην οθόνη ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή. Οι τεχνικές που ανέπτυξε ο άνθρωπος του επιτρέπουν να ελέγχει τις μηχανές με δύο διαφορετικούς τρόπους. Ο πρώτος, γνωστός σαν έλεγχος ανοικτού βρόχου, επιτρέπει στη μηχανή, αφού τεθεί σε κίνηση, να εκτελέσει την προκαθορισμένη λειτουργίας της. Ο δεύτερος, γνωστός ως έλεγχος κλειστού βρόχου, επιτρέπει σε μια μηχανή αφού τεθεί σε κίνηση, να εκτελεί προκαθορισμένη εργασία και να διορθώνει αυτόματα τη λειτουργία της. Η έννοια του αυτοματισμού αναφέρεται στην ικανότητα ενός συστήματος να εκτελεί μια καθορισμένη σειρά λειτουργιών για συγκεκριμένο αποτέλεσμα με αυτόματο τρόπο, δηλαδή χωρίς την ανθρώπινη παρέμβαση. Μπορεί επίσης να αναφέρεται και στην ικανότητα ενός συστήματος να παρακολουθεί και να ρυθμίζει τη συμπεριφορά του, ελέγχοντας συνεχώς την έξοδό του, προκειμένου να εξασφαλίζεται το επιθυμητό αποτέλεσμα. Αυτό πετυχαίνεται με τη διαδικασία της ανάδρασης. Ανάδραση είναι η λογική σύνδεση της εξόδου ενός συστήματος με την είσοδό του με κατάλληλο μηχανισμό, έτσι ώστε το σύστημα να βρίσκει την πραγματική του κατάσταση και να αυτοελέγχεται. Σε κάθε τεχνολογική εφαρμογή από τις πιο απλές μέχρι τις πιο σύνθετες παρατηρείται αυτοματοποιημένη διαδικασία, π.χ. βιομηχανία, ορυχεία, εφαρμοσμένες τέχνες, διυλιστήρια, διαστημική τεχνολογία, κλωστοϋφαντουργία, μηχανές συσκευασίας, τομέας παραγωγής ενέργειας, τηλεπικοινωνίες, γεωργία, ναυτιλία και σε πολλές οικιακές εφαρμογές. Η αυτοματοποίηση συντελεί στη βελτίωση της παραγωγικότητας, τη μείωση του κόστους εργασίας, τη βελτίωση της ποιότητας των προϊόντων και γενικά παρέχει ευελιξία σε κάθε παραγωγική διαδικασία. 2

3 2.1.1 ΔΙΑΚΡΙΣΗ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΩΝ (ανοικτά-κλειστά συστήματα) Ο κύριος σκοπός του αυτοματισμού είναι ο έλεγχος, δηλαδή η επιβολή της επιθυμητής λειτουργίας στις μηχανές, τις βιομηχανικές εγκαταστάσεις και τις τεχνολογικές διατάξεις γενικότερα. Ο συνδυασμός εξαρτημάτων και συσκευών που συνδέονται κατάλληλα μεταξύ τους, για να φέρουν ένα επιθυμητό αποτέλεσμα βάσει προκαθορισμένων λειτουργιών, ονομάζεται σύστημα αυτοματισμού (αυτόματο σύστημα). Είσοδος ονομάζεται η πληροφορία που εισάγεται στη μηχανή και Έξοδος το αποτέλεσμα της επεξεργασίας που εκτελεί η μηχανή. Η ταχύτητα της επεξεργασίας μιας πληροφορίας από τη μηχανή ονομάζεται ρυθμός. Για να γίνει κατανοητή η έννοια του ανοικτού και κλειστού κυκλώματος βρόχου δίδονται δύο απλά παραδείγματα φωτισμού. Παράδειγμα 1 ο Φωτισμός χώρου με ένα φωτιστικό σώμα που ελέγχεται από διακότη. Μια ηλεκτρική πηγή, ένας διακόπτης και ένας λαμπτήρας αποτελούν ένα απλό ηλεκτρικό κύκλωμα. Όταν ο διακόπτης είναι ανοικτός (θέση OFF), ο λαμπτήρας δε διαρρέεται από ρεύμα, οπότε δεν φωτοβολεί. Ο φωτισμός του χώρου εξαρτάται από τις συνθήκες περιβάλλοντος, π.χ ηλιοφάνεια. Όταν απαιτηθεί να φωτισθεί ο χώρος (επιθυμία), κλείνουμε το διακόπτη (θέση ΟΝ), ο λαμπτήρας διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα και φωτοβολεί (έξοδος), παρέχοντας στο χώρο σταθερή ένταση φωτισμού ανεξάρτητα της έντασης φωτισμού του χώρου. Η μόνη επέμβαση, που μπορεί να γίνει σ αυτό το απλό σύστημα είναι να αλλάξουμε τη θέση του διακόπτη (θέση OFF).Δηλαδή η είσοδος του συστήματος (φωτεινή ισχύς του λαμπτήρα) δεν επηρεάζεται από την έξοδό του (φωτισμός χώρου, φωτιστική ισχύς). Ένα τέτοιο σύστημα ονομάζεται σύστημα ανοικτού βρόχου. Κατά τον έλεγχο με ανοικτό βρόχο, η έξοδος εξαρτάται από την είσοδο, αλλά δεν μπορεί να την επηρεάσει. 3

4 Σχ Απλό ηλεκτρικό κύκλωμα Επειδή η όλη διαδικασία γίνεται «αυτόματα», θεωρείται ότι η ηλεκτρική πηγή, ο διακόπτης, ο λαμπτήρας και οι αγωγοί αποτελούν ένα στοιχειώδες σύστημα αυτοματισμού. Σαν είσοδος αυτού του συστήματος ορίζεται η επιθυμία για να φωτισθεί ο χώρος και σαν έξοδος το αποτέλεσμα του φωτισμού του συγκεκριμένου χώρου. Οι λειτουργίες ενός συστήματος αυτοματισμού μπορούν να παρασταθούν με ένα τύπο διαγράμματος που ονομάζεται χονδρικό διάγραμμα (block diagram). Κάθε λειτουργία παριστάνεται με ένα παραλληλόγραμμο. Σ αυτό το κύκλωμα επειδή ο διακόπτης ελέγχει το λαμπτήρα, ονομάζεται ελεγκτής, ενώ ο λαμπτήρας επειδή ελέγχεται, είναι το ελεγχόμενο σύστημα. Ο ελεγκτής (ή διάταξη ελέγχου) είναι η συσκευή ή το σύνολο οργάνων και μηχανισμών μέσω της οποίας επιβάλλουμε στην ελεγχόμενη διάταξη την επιθυμητή συμπεριφορά ή λειτουργία. 4

5 Σχ Χονδρικό διάγραμμα ανοικτού βρόχου. Παράδειγμα 2 ο Σε ένα χώρο θέλουμε να έχουμε συγκεκριμένη στάθμη φωτισμού. Στο χώρο αυτό η στάθμη φωτισμού μεταβάλλεται από το φυσικό φωτισμό (ηλιοφάνεια-συννεφιά). Για να επιτύχουμε την προκαθορισμένη ένταση φωτισμού, συνδέεται ο λαμπτήρας σε σειρά με κατάλληλο ηλεκτρονικό κύκλωμα που κυριότερο εξάρτημά του είναι το Triac. Το κύκλωμα αυτό (ηλεκτρονικός ροοστάτης) ελέγχει την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος και κατά συνέπεια τη φωτεινότητα του λαμπτήρα. Το ηλεκτρονικό εξάρτημα (Triac), ελέγχεται από ένα αισθητήριο φωτεινότητας που τοποθετείται σε κατάλληλη θέση, ώστε να αντιλαμβάνεται τη μέση στάθμη φωτισμού του χώρου για τον οποίο έχει προκαθοριστεί συγκεκριμένη στάθμη φωτισμού (σημείο αναφοράς). Όταν η στάθμη φωτισμού είναι μικρότερη από την προκαθορισμένη τιμή, το στοιχείο ελέγχου μεταβάλλει την τιμή του ροοστάτη (μικραίνει η αντίστασή του), με αποτέλεσμα ο λαμπτήρας να φωτοβολεί περισσότερο. Κάθε μεταβολή στο επίπεδο της στάθμης του φωτισμού γίνεται συνεχώς αντιληπτή από το αισθητήριο φωτεινότητας. Η κάθε τιμή της στάθμης φωτισμού μετράται και συγκρίνεται με την προκαθορισμένη τιμή και ανάλογα με τη διαφορά αυτή δίνεται εντολή στον ελεγκτή (ροοστάτη) να κάνει την αναγκαία διόρθωση. Αυτή η συνεχής μέτρηση του αποτελέσματος (έξοδος) και η σύγκρισή του με την προκαθορισμένη τιμή (είσοδος) γίνεται μέσω της ανατροφοδότησης (feedback). Παρατηρείται ότι η είσοδος εξαρτάται από την έξοδο. 5

6 Σχ Ηλεκτρικό κύκλωμα ελεγχόμενου φωτισμού Σχ Χονδρικό διάγραμμα κλειστού βρόχου σε κύκλωμα φωτισμού 6

7 Κατά τον έλεγχο με επανατροφοδότηση γίνεται συνεχώς : 1. Ανίχνευση και μέτρηση ενός μεγέθους. 2. Συγκρίνεται το αποτέλεσμα με μια προκαθορισμένη τιμή (σημείο αναφοράς). 3. Αυτόματη διόρθωση ΑΝΟΙΚΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ Έστω ότι για τη θέρμανση ενός δωματίου χρησιμοποιείται θερμάστρα απλού τύπου (χωρίς θερμοστάτη). Η θερμάστρα θα θερμάνει το χώρο για όσο χρονικό διάστημα βρίσκεται υπό τάση χωρίς καμία διακοπή, ανεξάρτητα αν η θερμοκρασία χώρου είναι μεγαλύτερη ή μικρότερη από την επιθυμητή. Ο συνδυασμός της ηλεκτρικής πρίζας, του διακόπτη, της θερμαντικής αντίστασης, του μεταλλικού πλαισίου της θερμάστρας και των καλωδίων αποτελεί ένα σύστημα θέρμανσης. Ο διακόπτης επειδή ελέγχει την τροφοδοσία της θερμάστρας, ονομάζεται ελεγκτής του συστήματος και η θερμάστρα ελεγχόμενο σύστημα. Σ αυτό το παράδειγμα η μεταβολή της θερμοκρασίας (άνοδος της τιμής) δεν επηρεάζει καθόλου την είσοδο του συστήματος, δηλαδή δεν μπορεί να ελέγξει το διακόπτη, με αποτέλεσμα η θερμοκρασία να ανεβαίνει συνεχώς. Αυτό το σύστημα καλείται ανοικτό. Ανοικτό σύστημα είναι εκείνο που η έξοδός του (αποτέλεσμα) εξαρτάται από την είσοδο, αλλά δεν παίζει κανένα ρόλο στη διαδικασία ελέγχου λόγω κατασκευής του συστήματος. Οι λειτουργίες του συστήματος μπορούν να παρασταθούν με το ακόλουθο διάγραμμα. 7

8 Σχ Χονδρικό διάγραμμα συστήματος αυτοματισμού ανοικτού βρόχου ΚΛΕΙΣΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ Έστω τώρα ότι για τη θέρμανση του ίδιου χώρου χρησιμοποιείται ηλεκτρική θερμάστρα με θερμοστάτη. Η θερμάστρα λειτουργεί συνέχεια μέχρις ότου επιτευχθεί η επιθυμητή θερμοκρασία (προκαθορισμένη τιμή π.χ. 20 ο C). Στο σημείο αυτό, το αισθητήριο του θερμοστάτη δίνει εντολή να ανοίξει ο διακόπτης και να σταματήσει η τροφοδοσία της θερμαντικής αντίστασης. Όταν όμως η θερμοκρασία πέσει κάτω από την προκαθορισμένη τιμή, τότε το αισθητήριο του θερμοστάτη δίνει εντολή να κλείσει πάλι ο διακόπτης, να τροφοδοτηθεί η θερμαντική αντίσταση με ηλεκτρικό ρεύμα με αποτέλεσμα την άνοδο της θερμοκρασίας στο χώρο. Αν η θερμοκρασία δεν πέσει κάτω από το επιθυμητό όριο (20 ο C), το αισθητήριο του θερμοστάτη δε θα δώσει εντολή να κλείσει ο διακόπτης και έτσι έχουμε την επιθυμητή θερμοκρασία και σημαντικό οικονομικό όφελος. Δηλαδή ο θερμοστάτης, αφού μετρήσει και συγκρίνει την επιθυμητή με την πραγματική θερμοκρασία του αέρα εντός του χώρου, επεμβαίνει και ελέγχει (διακόπτει ή αποκαθιστά) την κυκλοφορία του ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από τις ηλεκτρικές αντιστάσεις. Οι λειτουργίες του συστήματος μπορούν να παρασταθούν με το ακόλουθο διάγραμμα. 8

9 Σχ Χονδρικό διάγραμμα συστήματος αυτοματισμού κλειστού βρόχου Kλειστό σύστημα ελέγχου αυτοματισμού είναι εκείνο που η έξοδός του (αποτέλεσμα) μετράται συνεχώς, συγκρίνεται με μια προκαθορισμένη τιμή και επεμβαίνει στην είσοδο του συστήματος ελέγχοντάς το. Συμπέρασμα: Στο ανοικτό σύστημα η έξοδος της ελεγχόμενης διάταξης είναι ανεξάρτητη της εισόδου, ενώ στο κλειστό σύστημα η έξοδος εξαρτάται από την είσοδο. Για να γίνει περισσότερο κατανοητή η έννοια του ανοικτού και κλειστού βρόχου σε συστήματα αυτοματισμού, δίνονται παρακάτω μερικά παραδείγματα από την καθημερινή ζωή. Παράδειγμα 1 ο : Ο ηλεκτρικός θερμοσίφωνας αποτελεί ένα απλό καθημερινό παράδειγμα αυτόματου συστήματος. Η συνεργασία εξαρτημάτων όπως η θερμαντική αντίσταση, το δοχείο νερού και ο θερμοστάτης, μπορούν να διατηρούν το νερό σε προκαθορισμένη επιθυμητή θερμοκρασία. Το σύστημα είναι αυτόματο, γιατί από τη στιγμή ενεργοποίησης του διακόπτη πραγματοποιείται η λειτουργία της θέρμανσης του νερού με ηλεκτρικό ρεύμα και δεν απαιτείται επιτήρηση. Τον έλεγχο για τη θέρμανση του νερού σε συγκεκριμένη θερμοκρασία την αναλαμβάνει ο θερμοστάτης. Επειδή η έξοδος του συστήματος (θερμοκρασία του νερού) ελέγχει μέσω του θερμοστάτη την είσοδο του συστήματος (συγκεκριμένη επιθυμητή θερμοκρασία), το παράδειγμα αυτό αποτελεί ένα σύστημα αυτοματισμού κλειστού βρόχου. 9

10 Σχ Ηλεκτρικός θερμοσίφωνας Παράδειγμα 2 ο : Ένα απλό παράδειγμα συστήματος κλειστού βρόχου είναι το καζανάκι της τουαλέτας. Το δοχείο νερού, ο πλωτήρας και η βάνα του νερού αποτελούν το σύστημα. Σ αυτό το παράδειγμα είσοδος του συστήματος είναι η προκαθορισμένη επιθυμητή ανώτατη στάθμη νερού εντός του δοχείου και έξοδος είναι η πραγματική (τελική) στάθμη του νερού. Σχ Καζανάκι τουαλέτας 10

11 Παράδειγμα 3 ο : Το σύστημα των φωτεινών σηματοδοτών (φανάρια), που είναι ένας συνδυασμός λαμπτήρων, χρονοδιακοπτών, χρονικών και ηλεκτρονόμων ή προγραμματιζόμενων λογικών ελεγκτών, είναι σύστημα ανοικτού βρόχου, γιατί ανεξάρτητα από την κυκλοφορία οι σηματοδότες επαναλαμβάνουν τον ίδιο κύκλο λειτουργίας εκτελώντας συγκεκριμένο προγραμματισμό. Παράδειγμα 4 ο : Ο ηλιακός θερμοσίφωνας θερμαίνει το νερό με την ηλιακή ακτινοβολία που δέχεται. Η απόδοσή του εξαρτάται από τις καιρικές συνθήκες. Το καλοκαίρι η πραγματική θερμοκρασία του νερού ξεπερνά κατά πολύ την επιθυμητή θερμοκρασία, ενώ το χειμώνα αδυνατεί να την πλησιάσει. Στο παράδειγμα αυτό είσοδος είναι η επιθυμητή θερμοκρασία του νερού και έξοδος είναι η πραγματική θερμοκρασία του νερού. Επειδή η έξοδος δεν μπορεί να επέμβει στην είσοδο, είναι ένα σύστημα ανοικτού βρόχου. Σχ Ηλιακός θερμοσίφωνας 11

12 Παράδειγμα 5 ο : Το γέμισμα μιας δεξαμενής πετρελαίου (για την κεντρική θέρμανση μιας πολυκατοικίας) από βυτιοφόρο με σωλήνα, που καταλήγει σε ακροφύσιο με βάνα αποτελεί παράδειγμα συστήματος αυτοματισμού ανοικτού βρόχου, γιατί μέχρι να επέμβουμε στη βάνα μπορεί να γεμίσει η δεξαμενή και να συμβεί υπερχείλιση. Αυτό δε συμβαίνει σε πρατήριο καυσίμων, όπου το ακροφύσιο του σωλήνα της αντλίας έχει ειδικό σύστημα (αισθητήριο), που αντιλαμβάνεται το γέμισμα του δοχείου καυσίμων αυτοκινήτου (ρεζερβουάρ) και κλείνει αυτόματα την παροχή. Αλλά και αυτό το σύστημα είναι αυτοματισμού ανοικτού βρόχου, γιατί δεν ρυθμίζει τη στάθμη του καυσίμου αλλά κάνει μόνο μία διακοπή στο γέμισμα. Σχ α Σχ β Άλλα παραδείγματα κλειστών συστημάτων είναι ο κλιματισμός κτιρίων, το ηλεκτρικό ψυγείο, το ηλεκτρικό σίδερο, ο ρυθμιστής στροφών κινητήρων, κλπ. 12

13 Τα συστήματα αυτοματισμού διακρίνονται σε δύο κατηγορίες : α) τα συστήματα αυτοματισμού ανοικτού βρόχου β) τα συστήματα αυτοματισμού κλειστού βρόχου (με επανατροφοδότησηfeedback) και μπορούν να καταταγούν ως εξής: Μεγέθη όπως είναι ο χρόνος και η ποσότητα ή καταστάσεις διακοπτικής λειτουργίας (ON-OFF), ελέγχονται συνήθως από συστήματα αυτοματισμού ανοικτού βρόχου. Συστήματα αυτοματισμού κλειστού βρόχου ελέγχουν κυρίως μεγέθη όπως είναι η θερμοκρασία, η πίεση, η ροή. Σχ Κατάταξη συστημάτων αυτοματισμού. 13

14 ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ Στην εποχή μας σχεδόν όλες οι παραγωγικές διαδικασίες αυτοματοποιούνται όλο και περισσότερο. Αυτό πετυχαίνεται με τη συνεχή βελτίωση των λειτουργιών των μηχανών. Ο συνδυασμός μηχανής, εξαρτημάτων και λογικής διαδικασίας που τα διέπει, ορίζει ένα σύστημα αυτοματισμού. Τα συστήματα αυτοματισμού διακρίνονται σε ανοικτά και κλειστά. Στα ανοικτά συστήματα η έξοδος είναι το αποτέλεσμα μιας προκαθορισμένης διαδικασίας. Για παράδειγμα στο κύκλωμα μιας θερμάστρας χωρίς θερμοστάτη από τη στιγμή που θα κλείσουμε το διακόπτη, η θερμάστρα θα εργάζεται συνεχώς ανεξάρτητα από την επιθυμητή θερμοκρασία και θα πάψει να θερμαίνει το χώρο όταν ανοίξουμε το διακόπτη. Δηλαδή κατά τη λειτουργία της δε γίνεται καμιά αυτόματη διόρθωση. Σχ Στα κλειστά συστήματα εκτελείται η προκαθορισμένη διαδικασία, αλλά η έξοδός τους είναι αποτέλεσμα συνεχούς αυτόματης διόρθωσης. Στο κύκλωμα της θερμάστρας με θερμοστάτη ο έλεγχος γίνεται: i) με συνεχή ανίχνευση της θερμοκρασίας με το κατάλληλο αισθητήριο ii) iii) με μέτρηση της θερμοκρασίας και σύγκρισή της με την προκαθορισμένη τιμή με αυτόματες διορθώσεις για να επιτευχθεί η προκαθορισμένη τιμή Σχ

15 Κάθε κλειστό σύστημα αυτοματισμού υπερτερεί του ανοικτού, γιατί έχει τη δυνατότητα συνεχώς να αυτοελέγχεται, με αποτέλεσμα η πραγματική του τιμή να πλησιάζει την επιθυμητή. ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ 1. Τι καλείται σύστημα αυτοματισμού. 2. Αναφέρατε τη χαρακτηριστική διαφορά μεταξύ ενός ανοικτού και ενός κλειστού συστήματος αυτοματισμού. 3. Αναφέρατε εφαρμογές ανοικτών και κλειστών συστημάτων αυτοματισμού. 4. Εξηγήσατε τους όρους είσοδος και έξοδος συστήματος αυτοματισμού. 5. Περιγράψατε το χονδρικό (block) διάγραμμα κλειστού συστήματος αυτοματισμού. 6. Αναφέρατε την κατάταξη των μεγεθών ή καταστάσεων, που κύρια βρίσκουν εφαρμογή σε συστήματα κλειστού - ανοικτού βρόχου. 7. Αναφέρατε τις χαρακτηριστικές ενέργειες που συνεχώς πραγματοποιεί ένα κλειστό σύστημα αυτοματισμού κατά τη λειτουργία του. 15