ΕΞΥΠΝΟΙ ΣΗΜΑΤΟΔΟΤΕΣ INTELLIGENT TRAFFIC LIGHTS

Transcript

1 ΕΞΥΠΝΟΙ ΣΗΜΑΤΟΔΟΤΕΣ INTELLIGENT TRAFFIC LIGHTS ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΚΑΛΟΓΙΑΝΝΗΣ ΙΩΑΝΝΗΣ: Α.Ε.Μ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΚΟΓΙΑΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ ΚΑΒΑΛΑ 2014

2 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ H εργασία είναι αφιερωμένη στους γονείς μου οι οποίοι με στήριξαν σε όλους τους τομείς, τους συμφοιτητές μου και τους φίλους για τις όμορφες στιγμές και συγκινήσεις που ζήσαμε μαζί όλα αυτά τα χρόνια. Τους συναδέλφους μου από το Γενικό Νοσοκομείο Καβάλας για τις γνώσεις που μου προσφέρανε. Επίσης, θέλω να ευχαριστήσω τον εισηγητή και επιβλέποντα καθηγητή Κόγια Παναγιώτη για την πτυχιακή μου εργασία καθώς τον Νίκο όπου με τη βοήθεια τους και τις συμβουλές τους κατάφερα την υλοποίηση της πτυχιακής. 2

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Δεδοµένου της οικονοµικής κρίσης που υπάρχει είναι δύσκολο για αρκετούς να ανταπεξέλθουν στα λειτουργικά έξοδα που χρειάζεται ένα όχηµα, γι αυτό τα Μέσα Μαζικής Μεταφοράς είναι µια οικονοµική λύση για τη µεταφορά των ανθρώπων. Ωστόσο παρατηρείται το φαινόµενο πως οι περισσότεροι άνθρωποι επιλέγουν τα δικά τους οχήµατα για τις µετακινήσεις τους µε αποτέλεσµα να δηµιουργούν κυκλοφοριακά προβλήµατα στους δρόµους και ειδικότερα στις µεγαλουπόλεις. Το πρόβληµα αυτό έχει ως αντίκτυπο στα οχήµατα έκτακτης ανάγκης, όπως είναι το ασθενοφόρο, το περιπολικό και το πυροσβεστικό, τα οποία πρέπει να κινιούνται µε άνεση στους δρόµους για το λόγο ότι η χρησιµότητα τους είναι αναγκαία και πρέπει να έχουν άµεση πρόσβαση σε ένα επείγον περιστατικό ώστε να προσφερθούν γρήγορα οι υπηρεσίες που παρέχει το κάθε ένα από αυτά. Στα πλαίσια της πτυχιακής αυτής, γίνεται η λειτουργία και ο έλεγχος των φωτεινών σηµατοδοτών μιας διασταυρωσης με τη χρήση προγραμματιζόμενου λογικού ελεγκτή (P.L.C.) επικοινωνώντας με ένα ασύρματο σύστημα RFID,για την παροχή προτεραιότητας στα οχήµατα έκτακτης ανάγκης καθώς επίσης και η υλοποίηση αυτών στην πράξη µέσω µιας κατασκευής. Αρχικά γίνεται µια ιστορική αναδροµή για τον τρόπο λειτουργίας των φωτεινών σηµατοδοτών.(κεφ. 1) Στη συνέχεια γίνεται µια περιγραφή για τη χρήση και τον τρόπο προγραµµατισµού των P.L.C. (κεφ. 2) Καθώς και του ασύρματου συστήματος RFID(κεφ.3) Το τελευταίο κεφάλαιο, περιλαµβάνει τα βήµατα που έγιναν για την υλοποίηση της εφαρµογής, το τρόπο λειτουργίας των φαναριών, η σχεδίαση των ηλεκτρικών κυκλωµάτων και τέλος το προγραµµατιστικό κοµµάτι της λειτουργίας σε γλώσσα ladder.(κεφ. 4) 3

4 ABSTRACT Since the economic crisis that is difficult for many to cope with the operating expenses needs a vehicle, so that the public transportation is an economical solution for transporting people. However, the phenomenon that most people choose their own vehicles for their transportation thereby creating traffic problems on the roads especially in big cities. This problem has the impact on emergency vehicles, such as ambulance, police car and a fire engine, which must be shuffled around to'' comfort'' to the streets for the reason that their utility is necessary and should have direct access in an emergency in order to offer fast services provided by each of them. In the context of this thesis, is the operation and control of traffic lights a beam using programmable logic controller (PLC) communicating with a wireless RFID, for giving priority to emergency vehicles as well as the implementation of these in practice through a structure. First is a throwback to the way the traffic lights. (Chapter 1) Then we describe the use and how to program the PLC (Chapter 2) As the wireless system and RFID (chapter 3) The last chapter includes the steps taken for the implementation of the application, the operating mode of the Lantern, the design of electrical circuits and end the programming part of operating in a language ladder. (Chapter 4) 4

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο : ΦΩΤΕΙΝΟΙ ΣΗΜΑΤΟΔΟΤΕΣ Ορισμός φωτεινών σηματοδοτών Ιστορική αναφορά Πεδίο εφαρμογής-τοποθέτηση φωτεινών σηματοδοτών Σύστηµα Σηµατοδότησης Είδη φωτεινών ενδείξεων Θέσεις κεφαλών σηµατοδότησης και διατάξεις στήριξης τους Θέσεις κεφαλών σηµατοδότησης Διαταξεις στηριξης σηματοδοτων Διατάξεις υποβοήθησης των σηµατοδοτών Φωτεινές πηγές 18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο : PLC (PROGRAMMMING LOGICAL CONTROLLERS) Εισαγωγή στους προγραμματιζόμενους λογικούς ελεγκτές (P.L.C.) Βασικά χαρακτηριστικά και μέρη που αποτελείται,,, Φιλοσοφία του προγράμματος και λογική του P.L.C γλώσσες προγραμματισμού του P.L.C στοιχεία γλώσσας ladder Βασική μονάδα/basic Unit P.L.C. GM7,, Βασική δομή P.L.C Συνδεσμολογία ενός P.L.C Κύκλος λειτουργίας του P.L.C Πλεονεκτήματα των P.L.C Ψηφιακή Λογική του PLC Στοιχεία του προγραµµατισµού ενός PLC..46 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : R.F.I.D. ( Radio Frequency Identification) Ιστορική αναδρομή και εισαγωγή στο σύστημα R.F.I.D Αρχιτεκτονική του συστήµατος R.F.I.D Χαρακτηριστικά συστήματος R.F.I.D Μορφές των RFID tags Σχέσεις μεταξύ στοιχείων συστήματος R.F.I.D και απειλές Μέτρα κατά των απειλών υποκλοπής Συχνότητες Λειτουργίας - Operating Frequencies H Λειτουργία ενός Συστήματος RFID..61 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο : ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΕΡΓΟΥ Η λειτουργία της εφαρμογής Στάδια ανάπτυξης της μακέτας Τα βήματα για την υλοποίηση της εφαρμογής Υλικά που χρειάστηκαν για την υλοποίηση της κατασκευής Σχεδιασμός συνδεσμολογίας της εφαρμογής στο Autocad Ο προγραμματισμός του P.L.C

6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο :ΦΩΤΕΙΝΟΙ ΣΗΜΑΤΟΔΟΤΕΣ 1.1 Ορισμός φωτεινών σηματοδοτών Είναι συσκευές σημάτων με την ονομασία που τις χαρακτηρίζει ως φανάρια, συστήματα σήμανσης, λάμπες κυκλοφορίας και είναι τοποθετημένες σε διασταυρώσεις δρόμων, πεζών ώστε να ελέγχουν την ομαλή ροή της κυκλοφορίας. Οι φωτεινοί σηματοδότες καθορίζουν το τρόπο χρήσης και λειτουργίας ενός οδικού δικτύου με βάση τα τυποποιημένα σε χρώμα φανάρια (κόκκινο, πορτοκαλί, πράσινο) χρησιμοποιώντας έναν παγκόσμιο κώδικα χρωμάτων, ακόμα και γι αυτούς που πάσχουν από αχρωματοψία. 1.2 Ιστορική αναφορά Η ιστορία των φαναριών ξεκινάει πριν τεθεί σε κυκλοφορία το πρώτο αυτοκίνητο. Τότε που στους δρόμους υπήρχαν μόνο κάρα και άμαξες, πεζοί και ποδήλατα!! Το πρώτο φανάρι τοποθετήθηκε έξω από τη Βρετανική Βουλή στο Λονδίνο τον Δεκέμβρη του Το τοποθέτησε εκεί ο μηχανικός τρένων J. P. Knight. Ήταν ένα ανακατασκευασμένο σιδηροδρομικό φανάρι, με σηματοφόρους βραχίονες και με κόκκινες και πράσινες λάμπες. Οι λυχνίες αερίου ελέγχονταν από έναν μοχλό στη βάση τους, ώστε να φαίνεται προς την κυκλοφορία το κατάλληλο φως. Το συγκεκριμένο σύστημα καταστράφηκε από έκρηξη το 1869 τραυματίζοντας (ή σκοτώνοντας! - δε γνωρίζουμε τι ακριβώς έγινε) τον αστυνομικό που το χειριζόταν εκείνη τη στιγμή. Εικόνα 1.1: Χειροκίνητος έλεγχος σηματοδότης από 6

7 το ηλεκτρικό αυτόματο φανάρι κατασκευάστηκε στην Αμερική το Εφευρέτης του θεωρείται ο αστυνομικός Lester Wire από το Οχάιο. Το 1914 η Αμερικάνικη Εταιρεία Φωτεινών Σηματοδοτών τοποθέτησε ένα σύστημα με δύο χρώματα, κόκκινο και πράσινο, και έναν βομβητή (buzzer) για να προειδοποιεί για τις αλλαγές. Εμπνευστής του ήταν ο James Hoge. Το συγκεκριμένο σύστημα επέτρεπε στην Αστυνομία και την Πυροσβεστική να ελέγχουν τα φανάρια σε περίπτωση ανάγκης. Το πρώτο τρίχρωμο φανάρι τεσσάρων κατευθύνσεων κατασκευάστηκε από τον αστυνομικό William Potts στο Ντιτρόιτ το Επειδή ήταν υπάλληλος της κυβέρνησης (αστυνομικός) δεν μπορούσε να πατεντάρει την εφεύρεση του. Έτσι, το 1922 ο T.E. Hayes κατοχύρωσε το "Συνδυασμένο οδηγό κυκλοφορίας και ρυθμιστικού σήματος" Το πρώτο διασυνδεδεμένο σύστημα κυκλοφορίας εγκαταστάθηκε στο Σολτ Λέικ Σίτυ το 1917 σε δρόμο με έξι διασταυρώσεις, και ελεγχόταν από χειροκίνητους διακόπτες. Ο αυτόματος χειρισμός του συστήματος μπήκε τον Μάρτιο του 1922 στο Χιούστον του Τέξας. Το 1923 ο Garrett Morgan πατεντάρισε τη δικιά του έκδοση. Ήταν ένας στύλος σε σχήμα Τ με τρεις θέσεις: σταμάτημα, ξεκίνημα και σταμάτημα προς όλες τις κατευθύνσεις. Η τρίτη κατάσταση έδινε στους οδηγούς τη δυνατότητα να σταματήσουν μέχρι να ξεκινήσει η κυκλοφορία του αντίθετου ρεύματος, και επίσης, για την ασφάλεια των πεζών. Το μεγάλο του πλεονέκτημα ήταν η δυνατότητα χειρισμού του από απόσταση μέσω μηχανικής σύζευξης. Εικόνα 1.2: Ο πρώτος σηµατοδότης βραχίονας σχεδιασµένος από τον JP Knight το 1868 στο Λονδίνο. 7

8 Η πρώτη πόλη που συνέδεσε με υπολογιστές το σύστημα φαναριών των δρόμων της ήταν το Τορόντο το Τα χρώματα των φαναριών που αναπαριστούν σταμάτημα και ξεκίνημα ενδέχεται να προήλθαν από αυτά που ταυτοποιούσαν το λιμάνι (κόκκινο) και το στρίψιμο προς τα δεξιά (πράσινο) στη ναυσιπλοΐα. Σύμφωνα με τους κανόνες ναυτικής κυκλοφορίας, το πλοίο από τα αριστερά έπρεπε να σταματήσει για αυτό που έρχεται από τα δεξιά - πράγμα που ισχύει πλέον και στην χερσαία κυκλοφορία!! (σε περίπτωση μη ύπαρξης σήμανσης, προτεραιότητα έχει ο κινούμενος από τα δεξιά ΠΑΝΤΑ, όπως μας μαθαίνουν οι δάσκαλοι οδήγησης!!) Τέλος, αξίζει να αναφερθούμε και στους φωτεινούς σηματοδότες με χρονόμετρο. Το σύστημα εισάχθηκε τη δεκαετία του 90. Η αντίστροφη μέτρηση βοηθάει τους οδηγούς και τους πεζούς να ξέρουν πόσο χρόνο έχουν μέχρι να αλλάξει το φανάρι, ώστε να αποφασίσουν αν θα περάσουν τη διασταύρωση με ασφάλεια ή όχι. 1.3 Πεδίο εφαρµογής-τοποθέτηση φωτεινών σηµατοδοτών Η φωτεινή σηµατοδότηση εφαρµόζεται σε περιπτώσεις όπου απαιτείται η ρύθµιση της διέλευσης ή µη κατά κύριο λόγω οχηµάτων σε συγκεκριµένα σηµεία της οδού, και για συγκεκριµένους λόγους. Τέτοιες περιπτώσεις είναι οι ακόλουθες: Ισόπεδοι κόµβοι µε µεγάλους φόρτους κυκλοφορίας ή χωρίς ασφαλή διαµόρφωση, ή κόµβοι όπου επιθυµείται επενεργούµενη σηµατοδότηση λόγω υψηλού φόρτου στη µία διεύθυνση και χαµηλού στην άλλη. Σε ισόπεδες διαβάσεις σιδηροδρόµων. Σε σταθµούς διοδίων για έγκαιρη επιλογή της κατάλληλης λωρίδας. Σε εισόδους αυτοκινητοδρόµων, για έλεγχο της προσπέλασης Στις προσβάσεις στενών τµηµάτων µε µία λωρίδα κυκλοφορίας όπως στενές γέφυρες ή σήραγγες ή περιοχές εκτέλεσης έργων,για την εναλλάξ κίνηση των δυο αντιθέτων ρευµάτων κυκλοφορίας. Μπροστά από κινητές γέφυρες, για ακινητοποίηση των οχηµάτων κυκλοφορίας. Σε περιπτώσεις εφαρµογής αντίθετης κατεύθυνσης λωρίδων, για υπόδειξη των επιτρεπόµενων λωρίδων κίνησης. Σε συνδυασµό µε αυτόµατες κινητές πύλες. Μέσα σε περιοχές φορτοεκφορτώσεων, για την ασφαλή κίνηση των οχηµάτων. Μπροστά και κοντά σε σταθµούς έκτακτης ανάγκης, για παραχώρηση της προτεραιότητας. Σε διαβάσεις µε αυξηµένο φόρτο πεζών. Σε περιπτώσεις που απαιτείται απλή προειδοποίηση µε παλλόµενη κίτρινη ένδειξη. Η καθηµερινή εµπειρία δείχνει ότι η συνηθέστερη εφαρµογή της σηµατοδότησης γίνεται σε κόµβους αστικών περιοχών. καθηµερινή εµπειρία δείχνει ότι η συνηθέστερη εφαρµογή της σηµατοδότησης γίνεται σε κόµβους αστικών περιοχών. 8

9 1.4 Σύστηµα Σηµατοδότησης Τα συστήµατα σηµατοδότησης διαχωρίζονται σε δυο βασικές κατηγορίες µε βάση το είδος επενέργειας από την κυκλοφορία και το είδος συντονισµού µεταξύ διαφορετικών κόµβων. Το είδος του εφαρµοζόµενου συστήµατος επηρεάζει τον απαιτούµενο τεχνικό εξοπλισµό. ως προς το είδος επενέργειας διακρίνονται οι παρακάτω τύποι : Συστήµατα σταθερού χρόνου (pretimed ή fixed time) : Ο χρόνος κάθε φάσης σηµατορρύθµισης είναι σταθερός. Μπορεί να υπάρχουν απλώς διαφορετικά προγράµµατα µε βάση την περίοδο της ηµέρας. Σηµατοδότηση ηµιεπενεργούµενη από τη κυκλοφορία (semi-actuated ) : Στην περίπτωση αυτή καταγράφεται η κυκλοφορία σε µία ή περισσότερες, αλλά όχι σε όλες, προσβάσεις. Με βάση τις καταγραφές αυτές είναι δυνατό να µεταβληθούν δυναµικά και επί τόπου οι χρόνοι σηµατοδότησης. Συνήθως η καταγραφή γίνεται στις προσβάσεις των ασθενέστερων κινήσεων, ώστε να διακόπτονται οι κύριες κινήσεις µόνο όταν παρουσιάζονται οχήµατα ή πεζοί στις προσβάσεις αυτές. Σηµατοδότηση πλήρως επενεργούµενη (full-actuated): Η καταγραφή γίνεται σε όλες τις προσβάσεις. Η ύπαρξη επενέργειας καθιστά υποχρεωτική τη χρήση των κατάλληλων ανιχνευτών, καθώς και των κατάλληλων κεντρικών µονάδων. Τυπικό παράδειγµα συσκευών επενέργειας είναι τα πλήκτρα των πεζών. ως προς το είδος συντονισµού διακρίνονται οι παρακάτω τύποι : Μη συντονισµένη σηµατοδότηση : Κάθε κόµβος σε ένα δίκτυο εκτελεί το δικό του ανεξάρτητο πρόγραµµα. Συντονισµένη σηµατοδότηση κατά µήκος της αρτηρίας: Η σηµατοδότηση των διαδοχικών κόµβων µίας οδού γίνεται κατά τέτοιον τρόπο, ώστε να εξασφαλίζεται συνεχής ροή (πράσινο κύµα). Σε αυτήν την περίπτωση χρησιµοποιείται µία κύρια µονάδα ρύθµισης που συντονίζει τις τοπικές µονάδες κάθε κόµβου. Συστήµατα καθολικής ρύθµισης: Αποτελούν την πιο σύγχρονη εξέλιξη στο χώρο της Σηµατοδότησης ενός αστικού δικτύου. Ένα τέτοιο σύστηµα καταγράφει ανά πάσα στιγµή τους φόρτους σε διάφορα σηµεία του δικτύου, ενώ µία κεντρική µονάδα αναλαµβάνει τη σηµατορρύθµιση όλης της περιοχής, µε τρόπο ώστε να πληρούνται κάποια κριτήρια, όπως η ελαχιστοποίηση του κόστους καθυστερήσεων και των στάσεων. 9

10 1.5 Είδη φωτεινών ενδείξεων Σκοπός της φωτεινής σηµατοδότησης είναι να περάσει στον οδηγό και σε οποιονδήποτε χρήστη της οδού σαφή µηνύµατα µε τη βοήθεια απλών και σαφών ενδείξεων. Έτσι στα πλαίσια της φωτεινής σηµατοδότησης εφαρµόζονται είτε απλές χρωµατικές ενδείξεις, είτε συµβολικές ενδείξεις, είτε συνδυασµός τους. Στην Ελλάδα όπως και παγκοσµίως εφαρµόζονται τρία διαφορετικά χρώµατα κόκκινο, κίτρινο και πράσινο. Κατά τον ελληνικό κώδικα οδικής κυκλοφορίας ( Κ.Ο.Κ.) υπάρχουν οι παρακάτω ενδείξεις: Πράσινη σταθερή ένδειξη : Επιτρέπει την κίνηση. Κόκκινη σταθερή ένδειξη : Δηλώνει υποχρέωση στάσης. Κίτρινη σταθερή ένδειξη : Επιτρέπει την κίνηση µόνο αν προφταίνεται η κόκκινη ένδειξη. Πράσινη αναλάµπουσα ένδειξη : Συναντάται µόνο σε ενδείξεις για πεζούς. Τους επιτρέπει την κίνηση µε ιδιαίτερη προσοχή. Κόκκινη αναλάµπουσα ένδειξη : Επιβάλλει ακινητοποίηση λόγω αυξηµένου κινδύνου. Κίτρινη αναλάµπουσα ένδειξη : Επιτρέπει την κίνηση µε ιδιαίτερη προσοχή και µε παραχώρηση προτεραιότητας προς όλους τους χρήστες. Τα σύµβολα που είναι δυνατόν να εµφανίζονται στις ενδείξεις των φωτεινών σηµατοδοτών είναι : βέλη πορείας, σύµβολα για πεζούς, ενδείξεις παραχώρησης ή υποχρεωτικής πορείας, σύµβολα προειδοποίησης. Εικόνα 1.3: Τυπική µορφή φωτεινού σηµατοδότη (κυκλικής µορφής). 10

11 Εικόνα 1.4: Τυπική µορφή φωτεινού σηµατοδότη(βέλη πορείας). Εικόνα 1.5: Συνδυασµός κυκλικής µορφής και βέλη πορείας. 11

12 Εικόνα 1.6: Φωτεινή σηµατοδότηση πεζών. Αξιοσηµείωτο είναι να αναφέρουµε ότι η Ευρώπη έχει παράδοση στην αστική ποδηλατοδροµία πάνω από µία δεκαετία. Οι ευρωπαϊκές πόλεις διαθέτουν µεγάλους ποδηλατοδρόµους κατά µήκος των πόλεων, ενώ διαθέτουν ακόµη και φωτεινούς σηµατοδότες ειδικά για ποδηλάτες. Οι οδηγοί µηχανοκίνητων οχηµάτων σέβονται τους ποδηλάτες ενώ τα ατυχήµατα µεταξύ τους είναι σπάνια. Για τις περισσότερες ευρωπαϊκές πόλεις το ποδήλατο είναι τρόπος ζωής, από τις πιο µικρές ηλικίες έως και ηλικιωµένους. Έχουνε ποδηλατοδρόµους στους οποίους κινούνται κανονικά στο δρόµο και στα φανάρια εκτός από τη σήµανση του πεζού, υπάρχει και σήµανση για τους ποδηλάτες. Επίσης, επάνω στα πεζοδρόµια έχει ξεχωριστή λωρίδα για να κινούνται οι ποδηλάτες µε ασφάλεια ανάµεσα στους πεζούς. Αντίθετα βέβαια στην Ελλάδα η ποδηλασία έχει αναπτυχθεί µόλις τα τελευταία χρόνια ενώ οι εγκαταστάσεις για την ασφαλή µετακίνηση των ποδηλατών είναι ελάχιστες. Εικόνα 1.7: Φωτεινός σηµατοδότησης για ποδήλατα 12

13 1.6 Θέσεις κεφαλών σηµατοδότησης και διατάξεις στήριξης τους Θέσεις κεφαλών σηµατοδότησης Τα βασικά στοιχεία εξοπλισµού σε µία σηµατοδότηση είναι οι κεφαλές µε τα φωτεινά σήµατα(κυκλικής µορφής, βέλη πορείας), διότι αυτές δίνουν τα εν λόγω σήµατα ρύθµισης της κυκλοφορίας. Κατά συνέπεια, βασικής σηµασίας στη σηµατοδότηση είναι η θέση των κεφαλών σε σχέση µε την κυκλοφορία. Υπάρχουν δύο διάταξης για την τοποθέτηση µίας κεφαλής, επάνω από το οδόστρωµα και δίπλα από το οδόστρωµα (είτε αριστερά, είτε δεξιά). Η πρώτη διάταξη είναι οι κεφαλές να τοποθετούνται επάνω από το οδόστρωµα µε σκοπό να γίνεται η έγκαιρη αντίληψή τους από τους οδηγούς από µακρινές αποστάσεις, καθώς και σε περιπτώσεις που απαιτείται σηµατοδότηση για κάθε λωρίδα ξεχωριστά (όπως σε σταθµούς διοδίων µε πολλαπλές λωρίδες, ή σε περιπτώσεις ελέγχου της χρήσης των λωρίδων).επίσης, η συγκεκριµένη διάταξη έχει το πλεονέκτηµα ότι η κεφαλή διακρίνεται από περισσότερες λωρίδες σε κόµβους. Η δεύτερη διάταξη είναι οι κεφαλές δίπλα από το οδόστρωµα, όπου συνήθως τοποθετείται και χαµηλότερα σε σχέση µε την προηγούµενη διάταξη, έχει το πλεονέκτηµα της ευκολότερης παρακολούθησης της ένδειξης όταν τα οχήµατα είναι σταµατηµένα µπροστά στο φωτεινό σηµατοδότη. Συνήθως, σε όλους τους ισόπεδους κόµβους µε φυσιολογικό κυκλοφοριακό φόρτο τοποθετούνται κεφαλές και δεξιά από το οδόστρωµα, ενώ αν το οδόστρωµα έχει µεγάλο πλάτος, υπάρχει κεφαλή και αριστερά, στην πιθανή διαχωριστική νησίδα, ή διαγώνια αριστερά, µετά τη διασταύρωση. Το ύψος τοποθέτησης των κεφαλών σηµατοδότησης θα πρέπει να είναι τέτοιο ώστε να µην προκαλείται πρόβληµα στα διερχόµενα από κάτω οχήµατα ή πεζούς. Επίσης, θα πρέπει να βρίσκεται µέσα σε όρια που να κάνουν την κεφαλή ορατή από ένα εκτεταµένο εύρος αποστάσεων από αυτήν. Κατά τις αµερικανικές προδιαγραφές, για σηµατοδότες µε κατακόρυφη διάταξη των ενδείξεων, που είναι και ο κανόνας για τα ελληνικά δεδοµένα, ισχύουν τα εξής µεγέθη: Για κεφαλές συνήθων σηµατοδοτών πάνω απ την οδό, η κάτω βάση του σώµατος της κεφαλής πρέπει να βρίσκεται σε ύψος τουλάχιστον 4,6 m από το οδόστρωµα, ενώ η άνω βάση το πολύ 7,8 m από αυτό. Για κεφαλές συνήθων σηµατοδοτών δίπλα από την οδό, η κάτω βάση του σώµατος της κεφαλής πρέπει να βρίσκεται σε ύψος τουλάχιστον 2,4 m από το πεζοδρόµιο ή από το οδόστρωµα (ή 1,4 m από το επίπεδο της νησίδας, εάν ο σηµατοδότης είναι τοποθετηµένος εκεί), ενώ η άνω βάση το πολύ 5,8 m από αυτό. Για κεφαλές σηµατοδοτών σε προσβάσεις αυτοκινητοδρόµων, οι οποίοι τοποθετούνται δίπλα από την οδό πρόσβασης, η κάτω βάση του σώµατος της κεφαλής πρέπει να βρίσκεται σε ύψος από 1,4 m έως 1,8 m από το οδόστρωµα. 13

14 Για κεφαλές σηµατοδοτών που βρίσκονται επάνω από κάθε λωρίδα κυκλοφορίας(όπως σε σταθµούς διοδίων ή σε περιπτώσεις ελέγχου της χρήσης των λωρίδων), η κάτω βάση του σώµατος της κεφαλής πρέπει να βρίσκεται σε ύψος από 4,6 m έως 5,8 m από το οδόστρωµα. Κεφαλές σηµατοδοτών µε ενδείξεις για πεζούς πρέπει να βρίσκονται σε ύψος από 2,1 m έως 3,0 m από το πεζοδρόµιο Διατάξεις στήριξης σηµατοδοτών και στερέωση κεφάλων πάνω σε αυτές Για τη στήριξη των σωµάτων των κεφαλών σηµατοδότησης µπορούν να εφαρµοστούν διάφορες διατάξεις στήριξης. Στην Ελλάδα οι πιο συνήθεις διατάξεις είναι οι µεταλλικοί στύλοι, σε σηµατοδότες κόµβων. Άλλες διατάξεις είναι µεταλλικά πλαίσια, για περιπτώσεις σηµατοδοτών επάνω από κάθε λωρίδα ή αιώρηση από καλώδια, τα οποία µπορεί να στηρίζονται είτε σε κατακόρυφους στύλους, είτε σε άλλα σώµατα έξω από την οδό. Επίσης, είναι δυνατή η στήριξη της κεφαλής απευθείας σε κάποιο αντικείµενο έξω από την οδό, όπως τοίχος ή γέφυρα. Όσον αφορά στους µεταλλικούς στύλους, αυτοί µπορεί να είναι είτε κατακόρυφοι, είτε κατακόρυφοι µε οριζόντιο βραχίονα επάνω από το οδόστρωµα. Οι κατακόρυφοι στύλοι είναι συνήθως κυκλικής διατοµής, διαµέτρου mm και ύψους που εξαρτάται από το ύψος τοποθέτησης της κεφαλής και χρησιµοποιούνται συνήθως για τη στήριξη σηµατοδοτών δίπλα από την οδό ή σηµατοδοτών πεζών. Οι στύλοι µε οριζόντιο βραχίονα χρησιµοποιούνται όπου απαιτείται η τοποθέτηση κεφαλής σηµατοδότησης επάνω από το οδόστρωµα χρησιµοποιούνται είτε πολυγωνικές διατοµές µεταβλητών διαµέτρων της τάξεως των mm, είτε κυκλικές διατοµές µεταβλητών διαµέτρων της τάξεως των mm. Το µήκος του χρησιµοποιούµενου βραχίονα εξαρτάται από το πλάτος της οδού, καθώς σε οδούς µε πολλαπλές λωρίδες απαιτείται η κεφαλή να βρίσκεται όσο το δυνατόν πιο εσωτερικά στην οδό. Τέλος, για τη στήριξη των στύλων στο έδαφος εφαρµόζεται είτε έµπηξη του στύλου σε βάθος περί το 1 m µε επιφανειακό θεµέλιο από σκυρόδεµα, είτε κοχλίωση επάνω σε βάση από σκυρόδεµα, µε κατάλληλη απόληξη του στύλου. Όσο αναφορά τις κεφάλες, στηρίζονται επάνω σε µεταλλικούς στύλους ή και απευθείας σε εξωτερικές επιφάνειες, η στήριξη επιτυγχάνεται µε τη βοήθεια τοπικών βραχιόνων που συνδέουν το σώµα της κεφαλής µε την επιφάνεια στήριξης. Σε περίπτωση που η κεφαλή στηρίζεται επάνω σε κατακόρυφο στύλο ή εξωτερική επιφάνεια, χρησιµοποιούνται οι παρακάτω διατάξεις στερέωσης: Απλοί βραχίονες: Για τη στερέωση ενός µεµονωµένου σώµατος σηµατοδότησης. Διπλοί βραχίονες: Για τη στερέωση σε µία θέση, δύο όµοιων σωµάτων σηµατοδότησης. 14

15 Απλοί βραχίονες µε επέκταση: Για τη στερέωση σε µία θέση, δύο σωµάτων σηµατοδότησης, όπου το δεύτερο έχει µικρότερο αριθµό σηµάτων (π.χ. σώµα µε τρία σήµατα, συνοδευόµενο από δεύτερο σώµα µε δύο σήµατα αναλαµπόντων κίτρινων βελών). Βραχίονες προέκτασης: Πρόκειται για βραχίονες µε µεγάλο άνοιγµα στήριξη για τη στερέωση του σώµατος σηµατοδότησης σε απόσταση από τον κατακόρυφο στύλο όταν υπάρχουν εµπόδια που εµποδίζουν την ορατότητα. Επίσης υπάρχει και η περίπτωση που η κεφαλή στηρίζεται επάνω σε οριζόντιο βραχίονα, χρησιµοποιείται η διάταξη της Εικόνας 1.10, µε δυνατότητα περιστροφής γύρω από τον οριζόντιο άξονα για ρύθµιση της κλίσης της κεφαλής. Εικόνα 1.8: Στερέωση µε απλό βραχίονα. Εικόνα 1.9: Στερέωση µε βραχίονα µε επέκταση. 15

16 Εικόνα 1.10: Στερέωση πάνω σε οριζόντιο άξονα Διατάξεις υποβοήθησης οπτικών χαρακτηριστικών των σηµατοδοτών Υπάρχουν δύο σοβαρά προβλήµατα που πρέπει να αντιµετωπιστούν κατά την εγκατάσταση ενός φωτεινού σηµατοδότη είναι η απαίτηση αντίθεσης µε το περιβάλλον, καθώς και η θάµβωση που προκαλείται κατά την απευθείας πρόσπτωση των ηλιακών ακτινών επάνω στο σηµατοδότη. Τα δύο αυτά φαινόµενα προκαλούν δυσκολίες στην οπτική αναγνώριση των σηµάτων. Για την εξασφάλιση επαρκούς αντίθεσης, βασικής σηµασίας είναι αρχικά το χρώµα της πρόσθιας επιφάνειας του σώµατος της κεφαλής (θυρίδες). Από εκεί και πέρα, σε περιπτώσεις που ο προσανατολισµός και το περιβάλλον του σηµατοδότη επιτείνει το πρόβληµα, τοποθετείται περιµετρικά της κεφαλής ειδικό πλαίσιο αντίθεσης κατάλληλων διαστάσεων. Συνήθως σε κεφαλές που τοποθετούνται χαµηλά, όπως οι σηµατοδότες δίπλα από την οδό, δεν απαιτείται ένα τέτοιο πλαίσιο, ενώ σε κεφαλές που τοποθετούνται επάνω από την οδό, οι οποίες φαίνονται πολλές φορές µε φόντο τον ουρανό, τα εν λόγω πλαίσια είναι κοινός τόπος. Η θάµβωση είναι εν γένει ένα από τα πιο συνήθη προβλήµατα, συνήθως κατά τις πρωινές ώρες όπου ο ήλιος βρίσκεται χαµηλά, και είναι περισσότερο έντονο σε χώρες µε άφθονη ηλιοφάνεια, όπως η Ελλάδα. Οι ακτίνες του ήλιου προσπίπτουν απευθείας επάνω στο κρύσταλλο, µε αποτέλεσµα τα σήµατα που είναι αναµµένα να µην φαίνονται ως αναµµένα, και το αντίστροφο. Για την αντιµετώπιση της θάµβωσης απαιτείται καταρχήν να ληφθεί πρόνοια κατά το σχεδιασµό του κρυστάλλου επικάλυψης, καθώς και γενικά του όλου οπτικού συστήµατος. Επειδή, όµως, αυτό δεν είναι αρκετό, κάθε σήµα του σηµατοδότη εφοδιάζεται και µε ένα σκιάδιο (visor), το οποίο αντιµετωπίζει, συνήθως, επαρκώς το φαινόµενο. Τα σκιάδια είναι τα χαρακτηριστικά σώµατα που καλύπτουν κάθε σήµα, όπως φαίνεται και στην Εικόνα /στόσο, πολλές φορές παραλείπονται αδικαιολόγητα σε σηµατοδότες πεζών (πιθανόν θεωρούνται µικρότερης σηµασίας), µε αποτέλεσµα οι πεζοί αρκετές φορές να αντιµετωπίζουν µεγάλο πρόβληµα αναγνώρισης των ενδείξεων. 16

17 Εικόνα 1.11: Φωτεινός σηµατοδότης όπου διακρίνεται το λευκό πλαίσιο αντίθεσης και το σκιάδιο. Σε περιπτώσεις που τα σκιάδια δεν επαρκούν, µπορούν να εφαρµοστούν στο εσωτερικό του σήµατος κατάλληλες αντιθαµβωτικές µάσκες (anti-phantom masks), ωστόσο πρέπει να τονιστεί ότι πολλές φορές οι µάσκες αυτές προκαλούν ελάττωση της φωτεινότητας των ενδείξεων, γι αυτό και πρέπει να εφαρµόζονται µε σύνεση. Οι κατασκευαστικές εταιρίες του εξωτερικού έχουν επινοήσει συστήµατα προγραµµατιζόµενης ρύθµισης των σχισµών της µάσκας, για την εφαρµογή της µόνο όταν χρειάζεται. Εικόνα 1.12: Αντιθαµβωτική µάσκα µε κυψέλες και µε σχισµές 17

18 1.6.4 Φωτεινές πηγές Οι φωτεινές πηγές που χρησιµοποιούνται σε έναν σηµατοδότη είναι ο πιο καθοριστικός παράγοντας στο ζήτηµα του κόστους λειτουργίας του συστήµατος σηµατοδότησης. Η φωτεινή πηγή θα πρέπει να συνδυάζει χαµηλή κατανάλωση, ικανοποιητικά φωτεινά χαρακτηριστικά, διάρκεια στην απόδοση και αξιοπιστία λειτουργίας. Οι τύποι φωτεινών πηγών που χρησιµοποιούνται σήµερα είναι οι εξής: Λαµπτήρες πυρακτώσεως: Είναι οι παλαιότεροι τύποι λαµπτήρων σε σηµατοδότες. Λειτουργούν µε τάση 220 V και έχουν ισχύ Watt (για σηµατοδότες οχηµάτων, Watt). Έχουν διάρκεια ζωής περί τις ώρες. Λαµπτήρες αλογόνου: Βελτιωµένη εκδοχή λαµπτήρων, µε πολύ χαµηλότερη κατανάλωση και µεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Λειτουργούν µε τάση V, µε χρήση µετασχηµατιστή, και έχουν ισχύ Watt σε κάθε εφαρµογή. Έχουν διάρκεια ζωής περί τις ώρες. Φωτεινές πηγές µε διόδους LED: Η τελευταία εξέλιξη στο χώρο της φωτεινής σηµατοδότησης. Έχουν ισχύ Watt, αλλά µε πολύ χαµηλές απώλειες, και διάρκεια ζωής περί τις ώρες. Εικόνα 1.13: Λαµπτήρες σηµατοδοτών αριστερά διακρίνεται ο λαµπτήρας πυρακτώσεως και δεξιά ο λαµπτήρας αλογόνου. Εικόνα 1.14: Σήµα µε σύστηµα φωτισµού τύπου Led. 18

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο : PLC (PROGRAMMMING LOGICAL CONTROLLERS) 2.1 Eισαγωγή στους Προγραμματιζόμενους Λογικούς Ελεγκτές (P.L.C.) Οι προγραμματιζόμενοι λογικοί ελεγκτές αναφέρονται στην αγγλική ορολογία με το όνομα PLC (Programmable Logic Controllers). Εικόνα 2.1: Εξωτερική εμφάνιση του PLC Τα PLC είναι οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές της βιομηχανίας. Είναι προγραμματιζόμενες ηλεκτρονικές συσκευές, που δέχονται σήματα εισόδου από διακόπτες και αισθητήρες. Αξιολογούν τα σήματα εισόδου σύμφωνα με ένα αποθηκευμένο πρόγραμμα και παράγουν σήματα εξόδου για τον έλεγχο μηχανών και γενικά διαδικασιών παραγωγής. Τα PLC χρησιμοποιούνται για την αυτοματοποίηση των διαφόρων μηχανημάτων.έχουν αντικαταστήσει πολλά ηλεκτρομηχανικά και ηλεκτρονικά μέσα (ηλεκτρονόμους, χρονοδιακόπτες, μετρητές και άλλα), που χρησιμοποιούνται για τη λειτουργία και τον έλεγχο της λειτουργίας των μηχανημάτων. 19

20 Τα PLC (Programmable Logic Controllers) έκαναν την εμφάνιση τους στο τέλος της δεκαετίας του 1960 για τις ανάγκες αυτοματοποίησης της αμερικάνικης βιομηχανίας αυτοκινήτων. Από εκείνη την εποχή μέχρι σήμερα έχουν αναπτυχθεί τόσο πολύ, έτσι ώστε να αποτελούν αναπόσπαστο κομμάτι κάθε μορφής βιομηχανίας και να χρησιμοποιούνται στον ευρύτερο και πολυσύνθετο χώρο της. Αν θελήσουμε να δώσουμε έναν ορισμό σε έναν προγραμματιζόμενο λογικό ελεγκτή θα μπορούσαμε να πούμε ότι είναι: μία ψηφιακή ηλεκτρονική συσκευή η οποία χρησιμοποιεί μια προγραμματιζόμενη μνήμη για την αποθήκευση οδηγιών και ειδικές λειτουργίες όπως είναι η λογική, η ακολουθία, ο χρόνος, η αρίθμηση κ.λ.π για να ελέγξει τις μηχανές και την διαδικασία. ΕΙΣΟΔΟΙ ΕΞΟΔΟΙ Εικόνα 2.2 : Πρόγραμμα ελέγχου από τη μνήμη 2.2 Βασικά χαρακτηριστικά και μέρη που αποτελείται Τα βασικά τεχνικά χαρακτηριστικά ενός PLC είναι: 1. Ο αριθμός των εισόδων 2. Ο αριθμός των εξόδων 3. Η τάση εισόδου ( συνήθως 24ν DC ) 4. Ο τύπος των εξόδων (Relay Transistor, Triac) 5. Ο αριθμός των αναλογικών εισόδων και εξόδων, (αν υπάρχουν) 6. Η τάση τροφοδοσίας (συνήθως κυμαίνεται από 100 μέχρι 240ν AC) Ένα PLC αποτελείται από τα ακόλουθα μέρη: α) Την μονάδα εισόδου ( Input Module ) β) Την μονάδα εξόδου ( Output Module ) γ) Την κεντρική μονάδα επεξεργασίας ( Central Processing Unit, CPU ) 20

21 Βασικό στοιχείο ενός PLC είναι ο μικροεπεξεργαστής, ο οποίος έχει μορφή ολοκληρωμένου κυκλώματος και συνδυάζει τα πλεονεκτήματα του μικρού μεγέθους, του εύκολου προγραμματισμού, της υψηλής αξιοπιστίας και του χαμηλού κόστους. Ο μικροεπεξεργαστής μπορεί με τον κατάλληλο κάθε φορά προγραμματισμό να συμπεριφέρεται διαφορετικά και να εκτελεί μια ποικιλία λειτουργιών σύμφωνα με τις απαιτήσεις του προβλήματος που έχουμε να αντιμετωπίσουμε. Σε αυτή την ιδιότητα, δηλαδή το ότι μπορεί κάθε φορά να προγραμματίζεται διαφορετικά, οφείλει και την ονομασία του: Programmable. Ο Προγραμματισμός του PLC δεν γίνεται με μία από τις συνηθισμένες γλώσσες προγραμματισμού όπως BASIC, FORTRAN κ.τ.λ, αλλά με συμβολικές γλώσσες ή διαγράμματα,τα οποίοι έχουν καθορισθεί και τυποποιηθεί από το πρότυπο IEC Οι τρόποι αυτοί ονομάζονται γλώσσες προγραμματισμού. Προγραμματισμός ενός PLC σημαίνει να δημιουργήσουμε μια σειρά από εντολές, οι οποίες λύνουν έναν συγκεκριμένο αλγόριθμο που αντιστοιχεί σε μια λειτουργία ενός συστήματος αυτοματισμού. Η διαδικασία που ακολουθούμε για να γράψουμε αυτές τις εντολές, αποτελεί το πρόγραμμα.κάθε PLC έχει μία συγκεκριμένη γλώσσα μηχανής, σύμφωνα με την αρχιτεκτονική του hardware. Είναι δυνατό, θεωρητικά να προγραμματίσουμε ένα PLC γράφοντας εντολές σε γλώσσα μηχανής. Κάτι τέτοιο όμως θα έκανε τα PLCs να προγραμματίζονται με επίπονο τρόπο και μόνο από ανθρώπους με βαθιά γνώση στην δομή και την λειτουργία των διαφόρων επεξεργαστών. Για το σκοπό αυτό οι κατασκευαστές αυτών των ελεγκτών, πρότειναν διάφορες γλώσσες προγραμματισμού, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν από ανθρώπους που σχετίζονται με τον έλεγχο συστημάτων επιλογή της γλώσσας προγραμματισμού εξαρτάται από την εμπειρία και την γνώση του χρήστη σε ψηφιακά ηλεκτρονικά, σε υπολογιστές, σε συστήματα αυτοματισμού που λειτουργούν με κλασικό τρόπο και φυσικά εξαρτάται από την φύση του προβλήματος που έχουμε να αντιμετωπίσουμε. Οι γλώσσες προγραμματισμού μπορούν να ταξινομηθούν σε γραφικές και μη γραφικές ανάλογα με το είδος των στοιχείων που χρησιμοποιούν.οι πρώτες χρησιμοποιούν γραφικά στοιχεία που μοιάζουν αρκετά στα σύμβολα που χρησιμοποιούνται στον κλασικό αυτοματισμό και επίσης σύμβολα λογικών πυλών(and, OR, NOT κ.λ.π). Είναι πιο προσιτές σε ανθρώπους που έχουν εμπειρία στον κλασικό αυτοματισμό και έχουν το πλεονέκτημα της καλύτερης εποπτείας Οι δεύτερες χρησιμοποιούν εντολές που η κάθε μία αντιστοιχεί σε μία εντολή της γλώσσας μηχανής. 2.3 Φιλοσοφία του προγράμματος και λογική του P.L.C Για να μπορέσουμε να αντιληφθούμε εύκολα τον τρόπο προγραμματισμού του PLC, πρέπει να κατανοήσουμε την φιλοσοφία στην οποία στηρίζεται η λειτουργία του. Κάθε ενέργεια του PLC υπαγορεύεται από εμάς με τις εντολές που του δίνουμε. Φυσικά, δεν μπορούμε να του δώσουμε οποιαδήποτε εντολή, αλλά μόνο αυτές που είναι σε θέση να κατανοήσει και να εκτελέσει.το πρόγραμμα εφαρμογής αποτελείται από σειρά οδηγιών που εκτελούνται διαδοχικά (η μία μετά την άλλη) και κυκλικά (μετά την τελευταία οδηγία εκτελείται πάλι η πρώτη κ.ο.κ). 21

22 Το PLC μπορεί άμεσα να εκτελέσει βασικές πράξεις, όπως λογικό AND, λογικό OR και λογικό XOR. Δηλαδή υπάρχουν αντίστοιχες εντολές γι αυτές τις λογικές πράξεις, ενώ μπορεί να εκτελέσει άλλες πράξεις όπως XOR με κατάλληλο προγραμματισμό. Το PLC έχει έναν καταχωρητή, τον RR(Result Register). Στον καταχωρητή αυτό, έχουμε τη δυνατότητα να αποθηκεύσουμε την κατάσταση (0 ή 1) οποιασδήποτε εισόδου ή εξόδου. Κάθε λογική πράξη εκτελείται μεταξύ του καταχωρητή RR και μιας εισόδου ή εξόδου. Το αποτέλεσμα της πράξης σε κάθε περίπτωση μένει διαθέσιμο στον καταχωρητή RR. Επίσης, το αποτέλεσμα μιας πράξης μπορούμε να το καταχωρήσουμε σε κάποιο από τα 128 βοηθητικά ή να το οδηγήσουμε στην έξοδο. Στην ουσία, Το PLC είναι μία ηλεκτρονική διάταξη η οποία από την άποψη της λειτουργίας θα μπορούσε να προσομοιωθεί με έναν πίνακα αυτοματισμού. 'Έχει δηλαδή εισόδους και εξόδους που συνδέονται με τα στοιχεία μιας εγκατάστασης και βέβαια έναν αλγόριθμο που καθορίζει ότι κάποιος συνδυασμός εισόδων παράγει ένα αποτέλεσμα στις εξόδους (π.χ. η ενεργοποίηση ενός τερματικού διακόπτη σταματά έναν κινητήρα). Οι ομοιότητες όμως σταματούν εδώ μια και το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό των PLC είναι ότι οι "κανόνες" πού καθορίζουν την συμπεριφορά των εξόδων δεν είναι σταθεροί και "συρματωμένοι",όπως σε ένα κλασσικό πίνακα αυτοματισμού, αλλά μπορούν να μεταβάλλονται με την επέμβαση στο πρόγραμμα του PLC χωρίς καμία επέμβαση στο Hardware του συστήματος. Δηλαδή η λογική της λειτουργίας πού ενσωματώνεται στο PLC μέσω του προγραμματισμού του είναι μεταβαλλόμενη. Έτσι σε ότι αφορά το υλικό όλα τα PLC αποτελούνται από την CPU η οποία περιέχει την λογική του αυτοματισμού και η οποία αφού διαβάσει την κατάσταση των εισόδων (input modules) ενεργοποιεί τις εξόδους (output modules) σύμφωναμε τους κανόνες (πρόγραμμα) πού έχουμε αποθηκεύσει στην μνήμη του. Βέβαια το σύστημα συμπληρώνεται από το τροφοδοτικό και πιθανόν από διατάξεις ενδείξεων και χειρισμών (operator panel, operator display). Η CPU με την βοήθεια των εισόδων γνωρίζει κάθε στιγμή την κατάσταση ενός διακόπτη, εάν δηλαδή είναι διεγερμένος ή όχι.επιπλέον στην κατάλληλη έξοδο οπλίζει ένα ρελέ και μέσω αυτού ενεργοποιεί μία διάταξη κίνησης, φωτισμού κλπ. Αυτό που απομένει είναι η "λογική", δηλαδή πότε πρέπει να οπλίσει το ρελέ. Αυτή η λογική είναι το πρόγραμμα του PLC πού συντάσσεται σε συ-γκεκριμένη γλώσσα με την βοήθεια ειδικού λογισμικού (programing software), και αποθηκεύέται στην μνήμη του PLC. 'Έτσι τώρα το σύνολο του συστήματος λειτουργεί ως εξής: Αρχικά η CPU διαβάζει τις εισόδους, δηλαδή παρατηρεί την κάθε είσοδο, και αν σε αυτή έχει εμφανισθεί τάση (πού σημαίνει ότι έχει κλείσει ο δια-κόπτης) καταχωρεί ένα λογικό 1 σε μία περιοχή της μνήμης του που είναι ειδική γι αυτό τον σκοπό (Ιnput Ιmage). Η περιοχή αυτή περιέχει σε κάθε στιγμή την κατάσταση των εισόδων και λειτουργεί σαν ενδιάμεσος σταθμός ανάμεσα στον "έξω κόσμο" και την CPU. 22

23 Στην συνέχεια εκτελείται το πρόγραμμα δηλαδή εξετάζεται η τιμή των εισόδων και αποφασίζεται η τιμή της εξόδου η οποία και καταχωρείται σε μία αντίστοιχη περιοχή μνήμης εξόδου (Output Image). Τέλος, η περιοχή της μνήμης εξόδου μεταφέρεται στην κάρτα εξόδου και διεγείρει με την σειρά της του ρελέ. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται από την αρχή και διαρκώς δηλ. ξαναδιαβάζεται η είσοδος που μπορεί τώρα να έχει διαφορετική τιμή κλπ.η διαδικασία αυτή λέγεται κυκλική επεξεργασία στο PLC ή κύκλος ανίχνευσης (scan cycle). Είναι ιδιαίτερα σημαντικό εδώ να τονίσουμε ότι η πληροφορία για την κατάσταση της εισόδου αποκτάται μόνο στην αρχή του κύκλου και η κατά-σταση της εισόδου κατά τον χρόνο εκτέλεσης του προγράμματος θεωρείται σταθερή (πράγμα που βεβαίως μπορεί και να μην συμβαίνει), όμως ο κύκλος του PLC είναι τόσο σύντομος (τυπικά μερικά msec) που ακόμα και αν αλλάξει κατάσταση η είσοδος, η CPU θα το αντιληφθεί στον αμέσως επόμενο κύκλο (π.χ. μετά από 3 ms) και θα δράσει ανάλογα με καθυστέρηση μόνο χιλιοστών του δευτερολέπτου. Φυσικά για ιδιαίτερα κρίσιμες εισόδους υπάρχουν τεχνικές που επιτρέπουν την ακαριαία πληροφόρηση και δράση της CPU (Ενent driνen interrupt). Εδώ θα πρέπει να επίσης να υπογραμμίσουμε, ότι το αποτέλεσμα του αυτοματισμού (το πότε θα διεγερθεί η έξοδος) το καθορίζει το πρόγραμμα και όχι οι καλωδιώσεις. Θα μπορούσαμε διατηρώντας τις ίδιες ακριβώς καλωδιώσεις και αλλάζοντας μόνο το πρόγραμμα να κάνουμε το σύστημα να συμπεριφέρεται εντελώς διαφορετικά.αυτή είναι βέβαια και η μεγάλη διαφορά του PLC από οποιοδήποτε άλλο σύστημα αυτοματισμού που καθορίζει και το όνομα του δηλαδή προγραμματιζόμενος λογικός ελεγκτής (PLC) γλώσσες προγραμματισμού του P.L.C. Ένα PLC μπορεί να προγραμματισθεί με διάφορους τρόπους. Οι κυριότεροι είναι : 1. Με κατάλογο εντολών (lnstruction Iist) Ο τρόπος αυτός είναι παρόμοιος με τον προγραμματισμό των προσωπικών ηλεκτρονικών υπολογιστών με τη γλώσσα προγραμματισμού BASIC. 2. Με λειτουργικό διάγραμμα (Function biock diagram) Ο τρόπος αυτός χρησιμοποιεί τα λογικά σύμβολα των λογικών πυλών της άλγεβρας του Βοοll με τα οποία σχεδιάζουμε λογικά κυκλώματα. 3. Με διάγραμμα επαφών (Ladder Diagram Program) Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιεί τα αμερικάνικα σύμβολα των επαφών. 23

24 2.4 στοιχεία γλώσσας ladder Η γλώσσα προγραμματισμού Ladder είναι μία ευκολόχρηστη γραφική γλώσσαπρογραμματισμού με την βοήθεια της οποίας μπορεί να γίνει απευθείας μετατροπή του ηλεκτρολογικού σχεδίου σε γλώσσα κατανοητή από το PLC. Ο όρος ladder (σκάλα) χρησιμοποιήθηκε επειδή οι γραμμές ενός συμπληρωμένου διαγράμματος μοιάζουν με τις βαθμίδες μιας σκάλας. Με τη χρήση γραφικών εργαλείων (επαφών,πηνίων, καλωδιώσεων, χρονικώνκ.λ.π), δομείται ένα λογικό πρόγραμμα, ικανό να ακολουθήσει την λογική συνδεσμολογία ενός κλασικού αυτοματισμού. Οι δυνατότητες βέβαια που παρέχει, είναι πολύ περισσότερες, μια και εκτελούνται λειτουργίες σύγκρισης,μεταφοράς και μαθηματικής επεξεργασίας δεδομένων. Στο παρακάτω σχήμα,φαίνεται ένα σχέδιο κλασικού αυτοματισμού και το αντίστοιχο διάγραμμα Ladder. Όπως φαίνεται, η κύρια διαφορά μεταξύ της λογικής συρμάτωσης και της προγραμματιζόμενης λογικής είναι ότι όλοι οι είσοδοι εισάγονται με τη μορφή συμβολικών επαφών και όλοι οι έξοδοι εισάγονται με τη μορφή συμβολικών πηνίων. Ένα πρόγραμμα γραμμένο σε Ladder αποτελείται από rungs, δηλαδή ένα σύνολο από γραφικές εντολές, οι οποίες είναι σχεδιασμένες-τοποθετημένες μεταξύ δύο κάθετων γραμμών, που αντιπροσωπεύουν η μεν αριστερή τη γραμμή τροφοδοσίας, η δε δεξιά την γραμμή επιστροφής. Οι διάφορες γραφικές εντολές που υπάρχουν σε ένα rung παριστάνουν: τις εισόδους και εξόδους του PLC (διακόπτες, μπουτόν,αισθητήρια) τις λειτουργίες του PLC (χρονικά, μετρητές κ.λ.π) τις μαθηματικές και λογικές πράξεις (πρόσθεση, αφαίρεση κ.λ.π) πράξεις συγκρίσεως και αριθμητικές λειτουργίες (Α<Β, Α=Β, κ.λ.π) εσωτερικές μεταβλητές του PLC (bits,words, κ.λ.π) Αυτά τα γραφικά εργαλεία συνδέονται με οριζόντιες και κάθετες γραμμές για να οδηγηθούν τελικά σε μία ή περισσότερες εξόδους ή και στοιχεία που εκτελούν διαφορετικές λειτουργίες. Προσοχή ένα rung δεν μπορεί να υποστηρίξει περισσότερο από μία ομάδα εντολών συνδεδεμένων μεταξύ τους. Κάθε rung περιέχει εφτά γραμμές και έντεκα στήλες και αποτελείται από δύο αλληλοκαλυπτόμενες περιοχές, την ζώνη ελέγχου (test zone) που περιλαμβάνει τις συνθήκες, οι οποίες πρέπει να αληθεύουν για να λάβει χώρα μια ενέργεια και το ενεργό μέρος (action zone) που περιλαμβάνει την ενέργεια, η οποία μπορεί να είναι η ενεργοποίηση μιας εξόδου ή η πραγματοποίοση μιας λογικής πράξης (λογικής ή αριθμητικής) 24

25 Τα γραφικά εργαλεία τα οποία χρησιμοποιούνται στην γλώσσα προγραμματισμού Ladder είναι πάρα πολλά και δεν είναι δυνατό να τα αναλύσουμε όλα διεξοδικά. Για το λόγο αυτό, θα γίνει παρουσίαση των πιο βασικών στοιχείων που συναντάμε σε αυτοματισμούς. Τα γραφικά στοιχεία τα οποία θεωρούνται βασικά και τα οποία θα αναλύσουμε παρουσιάζονται παρακάτω: ανοιχτή επαφή κλειστή επαφή επαφή ανερχόμενου παλμού επαφή κατερχόμενου παλμού οριζόντια γραμμή σύνδεσης/κάθετη γραμμή σύνδεσης πηνίο ανάστροφο πηνίο πηνίο αυτομανδάλωσης Ανοιχτή επαφή : Ονομασία: Ανοιχτή επαφή (Normally Open Contact) Συμβολισμός: Τοποθέτηση: Μπορεί να τοποθετηθεί οπουδήποτε μέσα στο πλέγμα προγραμματισμού της test zone, εκτός από την τελευταία στήλη της action zone. Κατάσταση ηρεμίας (λογικό 0 ): Σε κατάσταση ενεργοποίησης (λογικό 1 ): Η επαφή είναι ανοιχτή Η επαφή είναι κλειστή Περιγραφή λειτουργίας: Η επαφή αυτού του τύπου χρησιμοποιείται για να αντιπροσωπεύει τις πραγματικές εισόδους του PLC, καθώς και τα εσωτερικά bits. 25

26 Κλειστή επαφή : Ονομασία: Κλειστή επαφή (Normally Closed Contact) Συμβολισμός: Τοποθέτηση: Μπορεί να τοποθετηθεί οπουδήποτε μέσα στο πλέγμα προγραμματισμού της test zone, εκτός από την τελευταία στήλη της action zone. Κατάσταση ηρεμίας (λογικό 1 ): Η επαφή είναι κλειστή Σε κατάσταση ενεργοποίησης (λογικό 0 ): Η επαφή είναι ανοιχτή Περιγραφή λειτουργίας: Η επαφή αυτού του τύπου χρησιμοποιείται για να αντιπροσωπεύει τις πραγματικές εισόδους του PLC, καθώς και τα bits. Επαφή ανερχόμενου παλμού: Ονομασία: Επαφή ανερχόμενου παλμού (Rising Edge Contact Συμβολισμός: Τοποθέτηση: Μπορεί να τοποθετηθεί οπουδήποτε μέσα στο πλέγμα προγραμματισμού της test zone, εκτός από την τελευταία στήλη της action zone. Κατάσταση ηρεμίας (λογικό 0 ): Σε κατάσταση ενεργοποίησης (λογικό 1 ): Η επαφή είναι ανοιχτή Η επαφή είναι κλειστή Περιγραφή λειτουργίας: Η επαφή ανερχόμενου παλμού είναι σε λογική κατάσταση 1 την ώρα που ενεργοποιείται μία είσοδος του PLC Η επαφή αυτή παραμένει σε λογική κατάσταση 1 όσο διαρκεί ένας κύκλος λειτουργίας του PLC. 26

27 Επαφή κατερχόμενου παλμού : Ονομασία: Επαφή κατερχόμενου παλμού (Falling Edge Contact) Συμβολισμός: Τοποθέτηση: Μπορεί να τοποθετηθεί οπουδήποτε μέσα στο πλέγμα προγραμματισμού της test zone, εκτός από την τελευταία στήλη της action zone. Κατάσταση ηρεμίας (λογικό 0 ): Σε κατάσταση ενεργοποίησης (λογικό 1 ): Η επαφή είναι ανοιχτή Η επαφή είναι κλειστή Περιγραφή λειτουργίας: Η επαφή ανερχόμενου παλμού είναι σε λογική κατάσταση 1 την ώρα που απενεργοποιείται μία είσοδος του PLC. Η επαφή αυτή παραμένει σε λογική κατάσταση 1 όσο διαρκεί ένας κύκλος λειτουργίας του PLC. Οριζόντια γραμμή σύνδεσης Ονομασία: Οριζόντια γραμμή σύνδεσης (Horizontal Connector) Συμβολισμός: Λειτουργία: Χρησιμοποιείται για την τοποθέτηση οριζοντίων γραμμώνμήκους ενός κελιού στα διαγράμματα Ladder. Κάθετη γραμμή σύνδεσης Ονομασία: Κάθετη γραμμή σύνδεσης (Down Connector) Συμβολισμός: Λειτουργία: Χρησιμοποιείται για την τοποθέτηση κάθετων γραμμών στα διαγράμματα Ladder. 27

28 Πηνίο Ονομασία: Πηνίο (Coil) Συμβολισμός: Τοποθέτηση: Μπορεί να τοποθετηθεί μόνο στην τελευταία στήλη του πλέγματος προγραμματισμού της action zone. Κατάσταση ηρεμίας (λογικό 0 ): Σε κατάσταση ενεργοποίησης (λογικό 1 ): Το πηνίο δεν είναι οπλισμένο Το πηνίο είναι οπλισμένο Περιγραφή λειτουργίας: Το πηνίο αυτού του τύπου χρησιμοποιείται για να αντιπροσωπεύσει τις πραγματικές εξόδους του PLC, καθώς και τα εσωτερικά bits. Ανάστροφο Πηνίο Ονομασία: Ανάστροφο Πηνίο (Inverse Coil) Συμβολισμός: Τοποθέτηση: Μπορεί να τοποθετηθεί μόνο στην τελευταία στήλη του πλέγματος προγραμματισμού της action zone. Κατάσταση ηρεμίας (λογικό 1 ): Το πηνίο είναι οπλισμένο Σε κατάσταση ενεργοποίησης (λογικό 0 ): Το πηνίο δεν είναι οπλισμένο Περιγραφή λειτουργίας: Το πηνίο αυτού του τύπου χρησιμοποιείται για να αντιπροσωπεύσει τις πραγματικές εξόδους του PLC, καθώς και τα εσωτερικά bits. 28

29 Πηνίο αυτομανδάλωσης Ονομασία: Πηνίο αυτομανδάλωσης (Set Coil) Συμβολισμός: Τοποθέτηση: Μπορεί να τοποθετηθεί μόνο στην τελευταία στήλη του πλέγματος προγραμματισμού της action zone. Κατάσταση ηρεμίας (λογικό 0 ): Το πηνίο δεν είναι οπλισμένο Σε κατάσταση ενεργοποίησης (λογικό 1 ): Το πηνίο είναι οπλισμένο Περιγραφή λειτουργίας: Το πηνίο πριν πάρει τάση στα άκρα του δεν είναι οπλισμένο. Μόλις εφαρμοστεί τάση στα άκρα του, τότε το πηνίο οπλίζει και παραμένει οπλισμένο(μανδαλωμένο) συνέχεια, ανεξάρτητα από το αν συνεχίζει να τροφοδοτείται ή όχι με τάση. Ο μόνος τρόπος να απομανδαλωθεί, είναι με το πηνίο RESET. Το πηνίο Set χρησιμοποιείται για να αντιπροσωπεύσει τις πραγματικές εξόδους του PLC, καθώς και τα εσωτερικά bits. Γενικά,Η πρώτη γλώσσα προγραμματισμού είναι η Ladder Logic (LAD) που είναι μια γλώσσα γραφικών που χρησιμοποιεί ηλεκτρομηχανικά σύμβολα και επιτρέπει ουσιαστικά τη μεταφορά του ηλεκτρολογικού σχεδίου στο PLC. Με τη γλώσσα αυτή η εκπαίδευση των τεχνικών, που ήταν συνηθισμένοι στον κλασσικό αυτοματισμό, γινόταν εύκολα και γρήγορα, αφού δεν άλλαζε ουσιαστικά την εργασία σχεδιασμού του αυτοματισμού. Η γλώσσα LADDER χρησιμοποιεί όχι την Ευρωπαϊκή τυποποίηση στο σχεδιασμό των ηλεκτρικών επαφών, αλλά την Αμερικάνικη. Αυτό ίσως οφείλεται στο γεγονός ότι τα πρώτα PLC αναπτύχθηκαν στην Αμερική. Όμως στη συνέχεια αυτός ο σχεδιασμός βόλεψε και έτσι διατηρήθηκε και από τις Ευρωπαϊκές εταιρίες, με αποτέλεσμα σήμερα να είναι καθιερωμένος. 29

30 2.6 Βασική μονάδα/basic Unit P.L.C. GM7 30

31 31

32 2.6.1 Βασική δομή P.L.C. Στην αγορά υπάρχουν σήμερα πάρα πολλά μοντέλα PLC κατασκευασμένα από πολλές εταιρίες. Η επιλογή ενός προγραμματιζόμενου ελεγκτή (τύπος, μέγεθος, κόστος) εξαρτάται από το πλήθος των στοιχείων που δίνουν εντολή σ αυτόν (είσοδοι) και το πλήθος των στοιχείων που δέχονται εντολή απ αυτόν (έξοδοι), καθώς και από το πλήθος των λειτουργιών που απαιτείται να κάνει ο αυτοματισμός (μέγεθος προγράμματος, δηλ. απαιτούμενη μνήμη και δυνατότητες της κεντρικής μονάδας). Ανεξάρτητα όμως από τύπο και μέγεθος, ένας προγραμματιζόμενος ελεγκτής, συνίσταται από τα εξής απαραίτητα στοιχεία: Α. Πλαίσιο για τοποθέτηση των μονάδων Β. Μονάδα τροφοδοσίας. Γ. Κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU) που αποτελεί τον εγκέφαλο του PLC. Δ. Μονάδες εισόδων / εξόδων. Ε. Μνήμη της κεντρικής μονάδας Εικόνα 2.3 : Παρουσιάζει τη Βασική δομή 32

33 Α. Πλαίσιο τοποθέτησης μονάδων Όλες οι μονάδες, από τις οποίες αποτελείται ένας προγραμματιζόμενος ελεγκτής, πρέπει να τοποθετηθούν σε κάποιο πλαίσιο. Σ αυτό είναι ενσωματωμένο το σύστημα αγωγών (BUS), μέσω των οποίων επικοινωνούν οι διάφορες μονάδες μεταξύ τους για την ανταλλαγή πληροφοριών και για την τροφοδοσία τους. Αν οι θέσεις του κεντρικού πλαισίου. που διατίθεται, δεν επαρκούν για να τοποθετηθούν οι μονάδες εισόδων και εξόδων που απαιτούνται σε μια συγκεκριμένη εφαρμογή, τότε χρησιμοποιούνται περισσότερα πλαίσια επέκτασης για την τοποθέτηση των επιπλέον μονάδων. Κάθε πλαίσιο επέκτασης συνδέεται με το κεντρικό πλαίσιο ή με τα άλλα πλαίσια μέσω ειδικής μονάδας διασύνδεσης και καλωδίου. Β. Μονάδα τροφοδοσίας Η μονάδα τροφοδοσίας χρησιμεύει για να δημιουργήσει από την τάση του δικτύου τις απαραίτητες εσωτερικές τάσεις για την τροφοδοσία αποκλειστικά των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων, που υπάρχουν μέσα στον προγραμματιζόμενο ελεγκτή (τρανζίστορ, ολοκληρωμένα κλπ). Οι τυπικές εσωτερικές τάσεις των ελεγκτών είναι συνήθως: DC 5V, DC 9V, DC 24V. Γ. Κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU) Είναι η βασική μονάδα του ελεγκτή, η οποία είναι υπεύθυνη για τη λειτουργία του αυτοματισμού. Η κεντρική μονάδα επεξεργασίας είναι στην ουσία ένας μικροϋπολογιστής και διακρίνουμε σ αυτήν όλα τα κύρια μέρη ενός μικροϋπολογιστή, δηλαδή τον μικροεπεξεργαστή και τη μνήμη. Ο μικροεπεξεργαστής είναι ο αυτός που εκτελεί όλες τις λειτουργίες του προγραμματιζόμενου ελεγκτή. Δ. Μονάδες εισόδων / εξόδων Οι μονάδες των εισόδων και των εξόδων αποτελούν τις μονάδες επικοινωνίας της κεντρικής μονάδας με τον έξω κόσμο, δηλ. με τους αισθητήρες, τους διακόπτες, τα μπουτόν κ.α., που δίνουν τις πληροφορίες (εντολές) στη κεντρική μονάδα, καθώς και με τα ρελέ ισχύος των κινητήρων, ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες, ενδεικτικές λυχνίες και γενικά τους αποδέκτες που εκτελούν τις εντολές της κεντρικής μονάδας. Η κεντρική μονάδα μπορεί να δεχτεί ψηφιακά σήματα εισόδου και εξόδου χαμηλής τάσης και πολύ μικρού ρεύματος. Η τάση που δέχεται είναι συνήθως 0 Volt για το λογικό 0 και 5 Volt για το λογικό 1. Το ρεύμα εισόδου καθώς και το ρεύμα εξόδου δεν μπορεί να ξεπεράσει τα λίγα ma. Οι μονάδες εισόδων και εξόδων αναλαμβάνουν να προσαρμόσουν τα σήματα εισόδου και εξόδου, που έχουμε στον αυτοματισμό, σε σήματα που μπορεί να δεχτεί η κεντρική μονάδα, 33

34 τόσο από άποψη τάσεων όσο και από άποψη ρευμάτων. Η προσαρμογή αυτή γίνεται με χρήση ηλεκτρονικών στοιχείων ισχύος, είτε με τη χρήση των κατάλληλων μικρό-ρελέ. Κάθε σύστημα PLC καταλήγει πάντα σε ακροδέκτες (κλέμες). Οι ακροδέκτες αυτοί ανήκουν στις μονάδες εισόδων και εξόδων του. Στους ακροδέκτες εισόδων καταλήγουν οι αγωγοί που έρχονται από αισθητήρες η τερματικούς διακόπτες, πιεζοστάτες, διακόπτες μπουτόνς, κτλ. Στους ακροδέκτες εξόδων καταλήγουν οι αγωγοί που τροφοδοτούν πηνία ρελέ ισχύος, ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες, λυχνίες ένδειξης και λοιπούς αποδέκτες. Στους διάφορους τύπους των PLC που υπάρχουν, οι μονάδες εισόδων και εξόδων αντιμετωπίζονται με διαφορετικό τρόπο. Γενικά όμως ισχύουν τα παρακάτω: Μια μονάδα εισόδων ή εξόδων μπορεί να λειτουργεί με συνεχή τάση ή με εναλλασσόμενη τάση. Τυπικές τάσεις λειτουργίας είναι: DC 24V, 48V, 60V & AC 24V, 48V, 115V, 230V, με συνηθέστερες τις DC 24V, AC 115V & AC 230V. Η τάση αυτή συνήθως δεν παρέχεται από τη μονάδα τροφοδοσίας του PLC. Πρέπει να τη δημιουργήσουμε εμείς με άλλη τροφοδοτική μονάδα. Τα κυκλώματα και οι τάσεις των εισόδων είναι τελείως ανεξάρτητα από τα αντίστοιχα κυκλώματα των εξόδων. Επομένως η τάση για τις εισόδους μπορεί να είναι διαφορετική από την τάση για τις εξόδους. Αν τώρα αυτές οι τάσεις είναι ίδιες μπορεί να χρησιμοποιηθεί το ίδιο τροφοδοτικό (για συνεχείς τάσεις), ή μετασχηματιστής χειρισμού (για AC τάσεις) για τις εισόδους και για τις εξόδους. Η τάση εισόδων (δηλ. η τάση που φτάνει σε μια είσοδο, όταν ενεργοποιηθεί ο αντίστοιχος αισθητήρας) συνήθως διαχωρίζεται γαλβανικά από το υπόλοιπο εσωτερικό κύκλωμα του PLC. Τα ίδια ισχύουν και για τις εξόδους. Αν σε κάποιες μονάδες εισόδων ή εξόδων δεν έχουμε γαλβανική απομόνωση πρέπει να προσέξουμε ιδιαίτερα το θέμα των γειώσεων. Ε. Η μνήμη της κεντρικής μονάδας Η μνήμη της κεντρικής μονάδας επεξεργασίας (CPU) διακρίνεται σε μνήμη RAM, ROM και FLASH. Μνήμη RAM: Η μνήμη RAM (Random Access Memory, μνήμη τυχαίας προσπέλασης) είναι εκείνη στην οποία μπορούμε να γράφουμε και να σβήνουμε, και η οποία χάνει τα περιεχόμενα της μόλις πέσει η τροφοδοσία της. 34

35 Στη μνήμη RAM: η κεντρική μονάδα αποθηκεύει μια σειρά από πληροφορίες σε ξεχωριστές περιοχές εργασίας. Μπορούμε να διακρίνουμε τις εξής περιοχές : Περιοχή μνήμης όπου αποθηκεύονται οι καταστάσεις των εισόδων και των εξόδων. Η περιοχή αυτή ονομάζεται για τις εισόδους εικόνα εισόδου και για τις εξόδους εικόνα εξόδου. Περιοχή μνήμης όπου αποθηκεύονται οι ενδιάμεσες πληροφορίες που αφορούν τη λειτουργία του αυτοματισμού. Περιοχή μνήμης των χρονικών. Περιοχή μνήμης των απαριθμητών. Περιοχή μνήμης όπου αποθηκεύονται τα προγράμματα του χρήστη, δηλαδή τα προγράμματα που λειτουργούν ένα συγκεκριμένο αυτοματισμό. Μνήμη ROM: Στη μνήμη ROM (Read Only Memory) ο κατασκευαστής του προγραμματιζόμενου ελεγκτή αποθηκεύει το λειτουργικό σύστημα του PLC, δηλαδή το πρόγραμμα για όλες τις βασικές λειτουργίες που είναι απαραίτητες για να δουλέψει το PLC. Μνήμη FLASH: Επειδή η μνήμη RAM με την απώλεια της τροφοδοσίας χάνει τα δεδομένα της (εκτός αν χρησιμοποιείται μπαταρία), τα PLC χρησιμοποιούν έναν άλλο τύπο μνήμης, την FLASH, η οποία προγραμματίζεται και σβήνει ηλεκτρικά. Πρόκειται για μνήμη που με την πτώση της τροφοδοσίας διατηρεί τα δεδομένα της, και στην οποία μπορούμε να γράψουμε και να σβήσουμε μέσω ειδικού μηχανήματος Συνδεσμολογία ενός P.L.C. Εικόνα 2.4 : Παράδειγμα συνδεσμολογίας τριών συσκευών/εξόδων 35

36 2.6.3 Κύκλος λειτουργίας του P.L.C. Προγραµµατισµός PLC µε διαγράµµατα κλίµακας Εισαγωγή προγράµµατος Από ειδικό φορητό τερµατικό µε γραφικά Από πρόγραµµα PC µέσω σειριακής Εκτέλεση προγράµµατος PLC Ελέγχεται η κατάσταση όλων των εισόδων, εξόδων και εσωτερικών στοιχείων µνήµης (π.χ.,., flip-flop) Σαρώνεται το διάγραµµα ladder από αριστερά προς δεξιά, και υπολογίζονται οι λογικές συναρτήσεις Ανανεώνονται όλες οι έξοδοι Η κυκλική εκτέλεση των παραπάνω γίνεται µε συχνότητα MHz Κύκλος λειτουργίας του PLC Εικόνα 2.5 : Κύκλος λειτουργίας του PLC 36

37 Ας υποθέσουμε ότι ένα PLC βρίσκεται σε κατάσταση εκτέλεσης του αυτοματισμού (RUN). Τα βήματα που ακολουθεί κατά τη λειτουργία του είναι τα εξής: Βήμα 1ο: Στην αρχή ο μικροεπεξεργαστής διαβάζει της εισόδους. Αυτό σημαίνει ότι για κάθε είσοδο ελέγχει αν έχει υψηλή τάση (λογικό 1 ) ή χαμηλή τάση (λογικό 0 ). Η τιμή 0 ή 1 για κάθε είσοδο αποθηκεύεται σε μια ειδική περιοχή της μνήμης η οποία ονομάζεται εικόνα εισόδων (input image). Την εικόνα εισόδων μπορείτε να την φανταστείτε σαν έναν πίνακα, όπου ο μικροεπεξεργαστής σημειώνει τις τιμές που διάβασε. Π.χ. είσοδος Ι1= 1. I2= 0, I3= 0 κ.ο.κ. Βήμα 2ο: Στη συνέχεια ο μικροεπεξεργαστής χρησιμοποιώντας σαν δεδομένα τις τιμές των εισόδων, που διάβασε, εκτελεί τις εντολές του προγράμματος, το οποίο λειτουργεί τον αυτοματισμό. Το πρόγραμμα αυτό στην ουσία περιέχει μια σειρά από λογικές πράξεις. Η εκτέλεση του προγράμματος θα δώσει αποτελέσματα για τις εξόδους. Τα αποτελέσματα αυτά αποθηκεύονται στην ειδική περιοχή της μνήμης που ονομάζεται εικόνα εξόδων (output image). Όπως η εικόνα εισόδων, έτσι και η εικόνα εξόδων περιέχει την τιμή ( 0 ή 1 ) για κάθε έξοδο. Σημειώνουμε ότι οι τιμές αυτές προκύπτουν από την εκτέλεση των λογικών πράξεων του προγράμματος. Βήμα 3ο: Στη συνέχει ο μικροεπεξεργαστής θέτει τις τιμές της εικόνας εξόδων στις εξόδους. Αυτό σημαίνει ότι θα δοθεί υψηλή τάση σε όποια έξοδο έχει 1 και χαμηλή τάση σε όποια έξοδο έχει 0. Με τη συμπλήρωση του 3ου βήματος συμπληρώνεται ένας πλήρης κύκλος λειτουργίας και η διαδικασία αρχίζει από την αρχή. Ο κύκλος λειτουργίας εκτελείται συνεχώς όσο το PLC βρίσκεται σε κατάσταση RUN. Δηλαδή ένα PLC εκτελεί συνεχώς τα βήματα του κύκλου λειτουργίας. Στο σχήμα 2.6 φαίνεται ένας κύκλος λειτουργίας PLC. 37

38 Εικόνα 2.6 : Κύκλος λειτουργίας του PLC Ο χρόνος που χρειάζεται για να εκτελέσει το PLC ένα πλήρη κύκλο λειτουργίας ονομάζεται χρόνος κύκλου και εξαρτάται από την ταχύτητα του επεξεργαστή του PLC, αλλά και από τον αριθμό και το είδος των εντολών του προγράμματος. Δηλαδή στο ίδιο PLC για ένα μεγαλύτερο πρόγραμμα έχουμε μεγαλύτερο χρόνο κύκλου. Ο χρόνος κύκλου αποτελεί ένα μέτρο σύγκρισης μεταξύ των PLC. Για να μπορούν να συγκριθούν τα PLC ως προς την ταχύτητα εκτέλεσης ενός προγράμματος, ορίζουμε τον μέσο χρόνο κύκλου, σαν το χρόνο κύκλου ενός προγράμματος που περιλαμβάνει 1 Kbyte δυαδικές εντολές. Πάντως στη χειρότερη περίπτωση και σε ένα αργό PLC, ο χρόνος κύκλου δεν ξεπερνά τις μερικές εκατοντάδες millisecond. 38

39 Θα θέλα σ αυτό το σημείο να τονίσω την ουσιαστική διαφορά στην λειτουργία ενός αυτοματισμού με PLC από έναν κλασσικό αυτοματισμό με ρελέ. Στην περίπτωση του κλασσικού αυτοματισμού, όταν έχουμε αλλαγή της κατάστασης ενός διακόπτη εισόδου, η αλλαγή αυτή προκαλεί εκείνη τη στιγμή αλυσιδωτές αλλαγές στα στοιχεία του κυκλώματος που τροφοδοτούνται από το συγκεκριμένο διακόπτη. Έχουμε δηλαδή διαδικασία που συμβαίνει σε πραγματικό χρόνο. Αν μελετήσουμε τον κύκλο λειτουργίας του PLC, θα δούμε ότι το PLC δεν βλέπει συνεχώς τον έξω κόσμο, παρά μόνο κατά τα χρονικά διαστήματα που διαβάζει τις εισόδους και αποδίδει τιμές στις εξόδους. Στον υπόλοιπο χρόνο του κύκλου, το PLC είναι ένας υπολογιστής ο οποίος εκτελεί πράξεις απομονωμένο από τον έξω κόσμο. Για να γίνει αυτό κατανοητό υποθέστε ότι αλλάζει η κατάσταση μιας εισόδου, κατά την διάρκεια του χρόνου κατά τον οποίο εκτελούνται οι εντολές προγράμματος. Στην περίπτωση αυτή στο τέλος του κύκλου το PLC θα δώσει αποτελέσματα στις εξόδους, στα οποία δεν θα έχει ληφθεί υπ όψη η τρέχουσα αλλαγή στη κατάσταση της συγκεκριμένης εισόδου. Αυτό γιατί το PLC θα ενημερωθεί από την εικόνα των εισόδων για την αλλαγή της συγκεκριμένης εισόδου στην αρχή του επόμενου κύκλου επεξεργασίας του προγράμματος. Έτσι το PLC θα ενημερώσει τις εξόδους που επηρεάζονται από την συγκεκριμένη είσοδο, στο τέλος του επόμενου κύκλου επεξεργασίας του προγράμματος. Λαμβάνοντας τα παραπάνω υπ όψη θα έλεγε κανείς ότι τελικά το PLC ανταποκρίνεται καθυστερημένα στις αλλαγές μιας αυτοματοποιημένης διαδικασίας. Όμως αυτό δεν είναι η πραγματικότητα, αφού ο χρόνος πραγματοποίησης ενός κύκλου προγράμματος από ένα PLC είναι πάρα πολύ μικρός, το πολύ 300ms σε πολύπλοκες εγκαταστάσεις αυτοματισμού. 39

40 2.7 Πλεονεκτήματα των P.L.C. 1) Κόστος υλοποίησης του αυτοματισμου 2) Χρόνος υλοποίησης του αυτοματισμού 3) Ελαχιστοποίηση κόστους συντήρησης 4) Μεγάλη ευκολία σε τροποποι κσεις του αυτοματισμού 5) Μεγάλες δυνατότητες επέκτασεις του αυτοματισμού 6) Ευκολία δημιουργίας πολύπλοκων/έξυπνων διεργασιών 7) Δυνατότητα σύνδεσης με κεντρικό υπολογιστικό σύστημα η το εταιρικό δίκτυο 8) Καταλαμβάνει ελαχιστο χώρο 9) Εύκολος προγραμματισμός / ελεγχος λειτουργίας 10) Γρηγορότερη παράδωση αυτοματισμού 11) Οικονομία στη κατανάλωση ενέργειας Εικόνα

41 Τα πρώτα μεγάλα πλεονεκτήματα των PLC αφορούν στους κατασκευαστές εξοπλισμού αυτοματισμών και πινάκων αυτοματισμού και είναι: 1. Το κόστος κατασκευής ενός PLC είναι σημαντικά μικρότερο από το κόστος παραγωγής ενός μεγάλου αριθμού βοηθητικών ρελέ, χρονικών και απαριθμητών. 2. Ο χρόνος κατασκευής του αυτοματισμού είναι μηδαμινός σε σχέση με την κατασκευή ενός κλασσικού πίνακα αυτοματισμού. Υπάρχουν όμως πολλά πλεονεκτήματα που έχουν σχέση με τον τελικό χρήστη, δηλ. τις βιομηχανίες που χρησιμοποιούν τους αυτοματισμούς. Κατά σειρά σπουδαιότητας αναφέρουμε: Τα PLC ελαχιστοποιούν το κόστος συντήρησης του πίνακα αυτοματισμού. Το κόστος αυτό αναλύεται ως εξής: α) Συχνότητα βλαβών, β) χρόνοςεντοπισμού μιας βλάβης και αποκατάστασής της. Δηλαδή, όταν υπάρχει μια βλάβη στον πίνακα μιας εγκατάστασης κλασσικού αυτοματισμού, υπάρχει καθυστέρηση στην παραγωγή μέχρι να εντοπιστεί η βλάβη. Αφού εντοπιστεί, πρέπει να έχουμε διαθέσιμο στην αποθήκη το κατάλληλο ανταλλακτικό, γιατί διαφορετικά θα υπάρξει σημαντική καθυστέρηση, κατά τη παραγγελία και προμήθεια. Στον αυτοματισμό με PLC δεν υπάρχει ουσιαστικό θέμα βλάβης εσωτερικά του πίνακα της εγκατάστασης. Βέβαια και το PLC σπάνια χαλάει, όμως οι εγγυήσεις είναι συνήθως πάρα πολύ μεγάλες. Τα PLC είναι ευέλικτα στην τροποποίηση της λειτουργίας του αυτοματισμού. Δηλαδή αν υποθέσουμε ότι θέλουμε να κάνουμε μιαν αλλαγή στον αυτοματισμό, αυτή μπορεί να γίνει μέσα σε λίγα λεπτά, αρκεί μόνο να αλλάξουμε το πρόγραμμα. Σε έναν πίνακα κλασσικού αυτοματισμού τέτοιες αλλαγές είναι πολύ δύσκολες, ακριβές & χρονοβόρες. Ο αυτοματισμός με PLC επεκτείνεται πολύ εύκολα. Αυτό γίνεται είτε απλά αλλάζοντας το πρόγραμμα, είτε με την τοποθέτηση νέων μονάδων εισόδων και εξόδων. Κάθε επέκταση στον κλασσικό αυτοματισμό είναι πολύ δύσκολη. Ο αυτοματισμός με PLC μας παρέχει μεγάλες δυνατότητες. Μπορούμε να δημιουργήσουμε πολύ εύκολα πολύπλοκες και «έξυπνες» επεξεργασίες, οι οποίες στον κλασσικό αυτοματισμό είναι πολύ δύσκολο να υλοποιηθούν. 41

42 Σε μια μοντέρνα εγκατάσταση που χρησιμοποιεί αυτοματισμούς με PLC, παρέχονται δυνατότητες σύνδεσης με τον κεντρικό ηλεκτρονικό υπολογιστή, και το ενδοεταιρικό δίκτυο. Το PLC καταλαμβάνει ελάχιστο χώρο σε σχέση με τον πίνακα κλασσικού αυτοματισμού. Στο στάδιο της μελέτης δεν υπάρχει το πρόβλημα του εάν επαρκούν οι επαφές των ρελέ, των χρονικών ή των εξωτερικών τερματικών. Η γλώσσα προγραμματισμού Ladder είναι προσαρμοσμένη στο βιομηχανικό αυτοματισμό και άρα είναι προσιτή στο προσωπικό που μέχρι σήμερα συντηρούσε τους κλασικούς πίνακες αυτοματισμού. Ο αυτοματισμός παραδίδεται συντομότερα σε λειτουργία γιατί η μελέτη μπορεί να γίνεται παράλληλα με την τοποθέτηση και συρμάτωση του PLC. Υπάρχει σημαντική οικονομία στο χώρο, τη συντήρηση και την κατανάλωση ενέργειας. (δεν υπάρχουν μηχανικές επαφές) 42

43 2.8 Ψηφιακή Λογική του PLC Όπως προαναφέρθηκε, κάθε ψηφιακή µηχανή έχει τη δυνατότητα να παίρνει λογικές αποφάσεις και να αποθηκεύει πληροφορίες. Για να πραγματοποιηθούν όµως αυτές οι διαδικασίες λήψης αποφάσεων καθώς και οι µονάδες αποθήκευσης, είναι απαραίτητη η κατασκευή Λογικών Κυκλωµάτων, η σχεδίαση των οποίων βασίζεται στη θεωρία της Μαθηµατικής Λογικής. Όταν λέµε Μαθηµατική Λογική, εννοούµε τη µετατροπή νοηµάτων καιεκφράσεων στη γλώσσα µε την οποία επικοινωνούν οι άνθρωποι µεταξύ τους, σεακριβείς µαθηµατικές σχέσεις. Κάθε κείµενο, λοιπόν, µπορεί να χωριστεί σε προτάσεις µε στοιχειώδη νοήµατα. Ονοµάζουµε Λογική Μεταβλητή κάθε µία τέτοια στοιχειώδη πρόταση και την απεικονίζουµε συνήθως µε κάποιο κεφαλαίο γράµµα της αλφαβήτου. Εάν το νόηµα που εκφράζει η Λογική Μεταβλητή είναι αληθές, τότε λέµε ότι η αντίστοιχη µεταβλητή έχει πάρει την τιµή ΛΟΓΙΚΟ 1, ενώ αν συµβαίνει το αντίθετο, τότε η αντίστοιχη µεταβλητή έχει πάρει την τιµή ΛΟΓΙΚΟ 0. Οι προτάσεις των στοιχειωδών νοηµάτων συνδέονται µεταξύ τους µε λέξεις ή µικρές προτάσεις που ονοµάζονται Σύνδεσµοι και παριστάνονται µε διάφορα σύµβολα, ανάλογα µε τη γλώσσα προγραµµατισµού του συγκεκριµένου PLC. Η αντικατάσταση των προτάσεων µε τα στοιχειώδη νοήµατα και των συνδέσµων µε τα αντίστοιχα σύµβολα, έχει ως συνέπεια τη δηµιουργία, µιας µαθηµατικής έκφρασης του δοθέντος κειµένου, την οποία ονοµάζουµε Λογική Συνάρτηση. Κάνοντας χρήση της άλγεβρας Boole, είναι δυνατό να επιτύχουµε την απλοποίηση της δεδοµένης συνάρτησης µε λιγότερους όρους και µεταβλητές και φυσικά να προσδιορίσουµε διαφορετική σύνδεση των προτάσεων από ότι η αρχική συνάρτηση. Οι Σύνδεσµοι, οι οποίοι αντιστοιχούν στις βασικές συνδετικές λέξεις κειµένου, εκφρασµένοι σε φυσική γλώσσα, είναι: ο σύνδεσµος AND ο σύνδεσµος OR ο σύνδεσµος XOR ο σύνδεσµος NOT Κάθε ηλεκτρικό σήµα που έχει τιµές τάσης 0 ή 10V µπορεί να πάρει τις λογικές τιµές 0 ή 1 µιας λογικής µεταβλητής. Είναι λοιπόν δυνατόν, να κατασκευάσουµε ηλεκτρονικά κυκλώµατα που θα δέχονται ως εισόδους τέτοια ηλεκτρικά σήµατα και θα παράγουν ένα άλλο, ηλεκτρικό σήµα, η κατάσταση του οποίου θα εξαρτάται από τις λογικές τιµές των σηµάτων εισόδου και από το είδος του συνδέσµου αυτών των δύο σηµάτων. 43

44 Τα κυκλώµατα (ηλεκτρικά ή ηλεκτρονικά) που πραγµατοποιούν τους συνδέσµους AND, OR κ.λ.π. είναι γνωστά ως ΠΥΛΕΣ. Το κύκλωµα που αντιστοιχεί στον σύνδεσµο NOT είναι γνωστό ως ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ. Προκειµένου ναεπιλύσουµε ένα σύνθετο πρόβληµα αυτοµατισµού, απαιτείται η σύνδεση πολλώνπυλών µεταξύ τους και το προκύπτον κύκλωµα ονοµάζεται Ψηφιακό ΣύστηµαΛήψης Αποφάσεων. Ένα τέτοιο σύστηµα είναι και η CPU. Πιο απλά, θα µπορούσαµε να πούµε ότι η CPU αποτελείται από ένα µεγάλο αριθµό πυλών, που η µεταξύ τους σύνδεση είναι δυνατόν να τροποποιείται ανάλογα µε τη φύση του προβλήµατος, έτσι ώστε στις εξόδους τους να λαµβάνονται τα συµπεράσµατα των διαφορετικών τρόπων σύνδεσης κάποιων στοιχειωδών προτάσεων. Η τροποποίηση της συνδεσµολογίας των πυλών µπορεί επίσης να επιτευχθεί µε τη διέγερση σηµάτων δύο καταστάσεων. Όταν κάποιο συγκεκριµένο σήµα βρίσκεται στην ενεργό κατάσταση π.χ. 5V, τότε γίνεται η σύνδεση κάποιων πυλών µε κάποιες άλλες. Αυτή η σύνδεση διακόπτεται όταν το σήµα µηδενιστεί. Το σύνολο των τιµών αυτών των σηµάτων, που καθορίζουν τη διαφορετική διασύνδεση των πυλών, αποτελεί το Πρόγραµµα του υπολογιστή. Αν θεωρήσουµε ως ενεργό (ανενεργό) κατάσταση του σήµατος την τιµή 1(0), τότε µπορούµε να αντιστοιχήσουµε ένα δυαδικό αριθµό στις καταστάσεις στις οποίες πρέπει να βρεθούν τα σήµατα ελέγχου σε µία δεδοµένη χρονική στιγµή. Τότε, λοιπόν, λέµε ότι έχουµε γράψει µια Εντολή Προγράµµατος σε Γλώσσα Μηχανής. Ο προγραµµατισµός ενός οποιουδήποτε υπολογιστικού συστήµατος, στηρίζεται στην καταγραφή όλων αυτών των διαδοχικών δυαδικών αριθµών, οι οποίοι καθορίζουν τον τρόπο µε τον οποίο επιθυµούµε να διασυνδέσουµε χρονικά τα στοιχειώδη νοήµατα. Τότε λοιπόν, τα σήµατα εξόδου της CPU θα προσδιορίζουν την ορθότητα ή µη των λειτουργιών, που αντιστοιχούν στα σύνθετα νοήµατα που προέκυψαν από τις διάφορες διαδοχικές διασυνδέσεις των στοιχειωδών νοηµάτων. Η εξεύρεση και η καταγραφή αυτών των δυαδικών αριθµών ή των κωδικών (όπως λέγονται στην ορολογία των υπολογιστών) είναι µια επίπονη διαδικασία. Για να επιταχυνθεί η σύνταξη προγραµµάτων µεγάλης λογικής πολυπλοκότητας, ο υπολογιστής έχει µόνιµα γραµµένο στη µνήµη του ένα πρόγραµµα σε Γλώσσα Μηχανής, το οποίο µπορεί να δέχεται κείµενο γραµµένο µε συντακτικούς κανόνες και χαρακτήρες, που είναι µεν περιορισµένοι, αλλά είναι παρόµοιοι µε τους αντίστοιχους κανόνες και χαρακτήρες της αντίστοιχης ανθρώπινης γλώσσας. Αυτό το κείµενο λέµε ότι είναι γραµµένο σε γλώσσα Υψηλού Επιπέδου (π.χ. Fortran, Pascal, C κ.λ.π.) 44

45 Το µόνιµο πρόγραµµα σε γλώσσα µηχανής, µεταφράζει το πρόγραµµα γλώσσας υψηλού επιπέδου σε ένα πρόγραµµα σε γλώσσα µηχανής, το οποίο µπορεί νααντιληφθεί ο Ηλεκτρονικός Υπολογιστής. Στη συνέχεια ο υπολογιστής εκτελεί αυτό το πρόγραµµα και καταλήγει στα συµπεράσµατά του, τα οποία µε τηναντίθετη ακριβώς διαδικασία µεταφράζονται σε συµβολισµούς, τους οποίους µπορεί να κατανοήσει ο άνθρωπος. Η σχεδίαση ενός κυκλώµατος αυτοµατισµού γίνεται, συνήθως, κατευθείαν σε διάγραµµα διασυνδεδεµένων επαφών ηλεκτρονόµων και πηνίων (ηλεκτρικό διάγραµµα). Η µετάφραση αυτών των σχεδίων σε πρόγραµµα γλώσσας υψηλού επιπέδου, είναι µια σύνθετη και επίπονη προσπάθεια. Ο Προγραµµατιζόµενος Λογικός Ελεγκτής (PLC) µε την παραπάνω µορφή συµβόλων, λέµε ότι είναι προγραµµατισµένος σε γλώσσα LADDER logic. Η κατασκευή της µνήµης στην οποία αποθηκεύεται το πρόγραµµα, βασίζεται σε ένα σηµαντικό ηλεκτρονικό στοιχείο, το γνωστό FLIP FLOP ή κύκλωµα δύο καταστάσεων. Κύριο χαρακτηριστικό αυτού του κυκλώµατος είναι ότι στην έξοδό του Q διατηρεί τη λογική τιµή 1 µιας µεταβλητής, που ενεργοποίησε την είσοδό του D σε κάποια προηγούµενη χρονική στιγµή, και καθορίστηκε από ένα άλλο ηλεκτρικό σήµα, που προήλθε από το CLOCK. Αν συνδεθούν εν σειρά πολλά FLIP FLOP, έτσι ώστε να µπορούν να δέχονται ταυτόχρονα τις µεταβολές πολλών λογικών µεταβλητών που κάθε δυαδικό ψηφίο τους αντιστοιχεί στην τιµή που είχε κάποια µεταβλητή σε µια συγκεκριµένη χρονική στιγµή, οι λεγόµενοι ΚΑΤΑΧΩΡΗΤΕΣ (registers). Οµοίως, η εν σειρά τοποθέτηση πολλών καταχωρητών σχηµατίζει τη MNHMH. Κάθε εντολή, λοιπόν, του προγράµµατος, που είναι ουσιαστικά µία δυαδική λέξη, αποθηκεύεται σε διαφορετικό καταχωρητή. Ο προσδιορισµός του συγκεκριµένου καταχωρητή γίνεται µε τη βοήθεια πρόσθετων κυκλωµατικών διατάξεων που συνδέονται µε τους καταχωρητές και ονοµάζονται ΑΠΟΚΩ ΙΚΟΠΟΙΗΤΕΣ. Οι παραπάνω επιτρέπουν τον προσδιορισµό (µε την βοήθεια ενός άλλου δυαδικού αριθµού ο οποίος αποθηκεύεται σε έναν πρόσθετο καταχωρητή) της θέσης του συγκεκριµένου καταχωρητή στον οποίο είναι αποθηκευµένη η εκάστοτε εντολή του προγράµµατος. Oι δυαδικοί αριθµοί που καθορίζουν την θέση κάθε καταχωρητή και επιτρέπουν την ανάγνωση του περιεχοµένου τους σε µια δεδοµένη χρονική στιγµή, ονοµάζονται ΙΕΥΘΥΝΣΕΙΣ. Τους αριθµούς αυτούς τους παράγει η ίδια η CPU κάθε φορά που τελειώνει µια εντολή και αρχίζει η επόµενη. 45

46 2.9 Στοιχεία του προγραµµατισµού ενός PLC To κύριο έργο που επιτελούν οι Προγραµµατιζόµενοι Λογικοί Ελεγκτές, είναι η προσοµοίωση των λειτουργιών τις οποίες εκτελούν τα ρελέ στιγµιαίας λειτουργίας και χρονικής καθυστέρησης, καθώς επίσης και µία σειρά από άλλες δευτερεύουσες λειτουργίες. Οι διάφοροι κατασκευαστές χρησιµοποιούν διαφορετικά σύµβολα για τον προγραµµατισµό του PLC. Επίσης διαφορετικοί µπορεί να είναι και οι νόµοι βάσει των οποίων γίνεται η σύνδεση των µεταξύ τους στοιχείων. Στα περισσότερα όµως PLC, συναντάµε σύµβολα παρόµοια µε αυτά που χρησιµοποιούνται στα ηλεκτρολογικά διαγράµµατα µε ρελέ, σύµφωνα µε τη Γερµανική ή Αµερικάνικη τυποποίηση. Το µέγεθος των προγραµµάτων που µπορούν να αποθηκευτούν στη µνήµη του PLC, εξαρτάται από τη χωρητικότητα της και από τον αριθµό των καταχωρητών που απαιτούνται για την αποθήκευση των κωδικών κάθε συµβόλου του προγράµµατος. Φυσικά, σε ένα πρόγραµµα δεν χρησιµοποιούµε µόνο επαφές, αλλά και άλλα σύµβολα, ορισµούς κ.λ.π. τα οποία καταλαµβάνουν και αυτά θέσεις µνήµης. Σήµερα, το κόστος της µνήµης έχει ελαχιστοποιηθεί, έχοντας ως συνέπεια την αύξηση της µνήµης των PLC και της δυνατότητας αποθήκευσης ολοένα και µεγαλύτερων προγραµµάτων. Ο ακριβής προσδιορισµός του µεγέθους ενός προγράµµατος είναι µια αρκετά πολύπλοκη διαδικασία και γι αυτό το λόγο, στην πράξη, οι συσκευές προγραµµατισµού του PLC υπολογίζουν και παρουσιάζουν στον χρήστη το ακριβές υπόλοιπο της µνήµης το οποίο είναι διαθέσιµο. Όλες οι λειτουργίες, οι οποίες περιγράφονται στο πρόγραµµα, εκτελούνται από το PLC κυκλικά. Πρέπει να τονιστεί ιδιαίτερα, ότι το PLC αρχίζει να µεταφέρει δεδοµένα προς τις εξωτερικές συσκευές µόνο αφού έχει προηγουµένως εκτελέσει όλο το πρόγραµµα. Ο χρόνος που απαιτείται για την εκτέλεση του προγράµµατος µία φορά, ονοµάζεται Scan Time ή ΧΡΟΝΟΣ ΣΑΡΩΣΗΣ και είναι συνήθως της τάξης των 10 έως 20 ms. Θα πρέπει να τονίσουµε ότι αν, κατά την διάρκεια εκτέλεσης του προγράµµατος, αλλάξει η κατάσταση κάποιου εξωτερικού διακόπτη, αυτή θα γίνει αντιληπτή µετά την πάροδο κάποιου χρονικού διαστήµατος, το οποίο όµως θα είναι πάντα µικρότερο από το διπλάσιο του χρόνου σάρωσης. Μπορεί να παρατηρήσει κανείς ότι αυτός ο χρόνος είναι συγκρίσιµος µε τον χρόνο διέγερσης µιας επαφής ενός ρελέ. Πολλές φορές όµως, συµβαίνει να είναι µικρότερος από το συνολικό χρόνο που απαιτείται από ένα πολύπλοκο σύστηµα αυτοµάτου ελέγχου για να παραχθεί µια εντολή ελέγχου, ιδιαίτερα όταν υπάρχουν πολλές επαφές ρελέ στη σειρά. 46

47 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : R.F.I.D. ( Radio Frequency Identification) 3.1 Ιστορική αναδρομή και εισαγωγή στο σύστημα R.F.I.D. (ταυτοποίηση μέσω ραδιοσυχνοτήτων) Το RFID είναι τα αρχικά του όρου Radio Frequency Identification, η απόδοση του σταελληνικά ορίζεται ως <<ταυτοποίηση μέσω ραδιοσυχνοτήτων>>. Τα συστήματα RFID αποτελούν ένα υποσύνολο των Συστημάτων Αυτόματου Προσδιορισμού (Automatic Identification Systems). Ειδικότερα λειτουργεί ως γενικός όρος των τεχνολογιών που χρησιμοποιούν ραδιοκύματα για να προσδιορίσουν αυτόματα ανθρώπους ή αντικείμενα και αποτελεί την τεχνολογική εξέλιξη ραβδωτών κωδίκων (barcodel). Η τεχνολογία RFID είναι γνωστή εδώ και 50 χρόνια. Χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από την πολεμική αεροπορία της Αγγλίας κατά τη διάρκεια του Β Παγκοσμίου, για την αναγνώριση και τη διάκριση των εχθρικών από τα φιλικά αεροπλάνα. Κατά τη διάρκεια των επόμενων δεκαετιών, άρχισε να εδραιώνεται η χρήση και εκμετάλλευσή της. Αρχικά, σε πειραματικό στάδιο και σε εργαστηριακό επίπεδο, για να φτάσουμε στο σήμερα, όπου γίνεται λόγος για εφαρμογή της τεχνολογίας RFID στην καθημερινή ζωή των ανθρώπων, κυρίως μέσω του εμπορίου. Παράλληλα αναπτύσσεται το ενδεχόμενο της ευρείας εφαρμογής του, με την καθιέρωση προτύπων και την λειτουργία της σε παγκόσμιο επίπεδο. Εικόνα

48 Στη σημερινή εποχή όπου ο ανταγωνισμός είναι οξύς και το οικονομικό τοπίο ταχέως μεταβαλλόμενο καθοριστικό ρόλο για την αυτοματοποίηση της εφοδιαστικής αλυσίδας και συνεπώς στη δραστική μείωση του κόστους διακίνησης των αγαθών υπάρχουν οι τεχνολογίες αυτόματης αναγνώρισης αντικειμένων, είτε αυτές είναι παραδοσιακές μέσω της χρήσης γραμμωτών κωδικών (barcodes), είτε νεότερες και ταχέως αναπτυσσόμενες μέσω της χρήσης ραδιοσυχνοτήτων (RFID). Ειδικά τα τελευταία δύο χρόνια, οι τεχνολογίες RFID έχουν επιτελέσει σημαντικότατες προόδους όσον αφορά στην αξιοπιστία και το κόστος τους και, δεδομένων των πολύ σημαντικών πλεονεκτημάτων που διαθέτουν, πλέον αποτελούν αυτονόητη εναλλακτική λύση ή πολλές φορές και μονόδρομο έναντι των δοκιμασμένων μεν αλλά ανεπαρκών σε πολλές περιπτώσεις τεχνολογιών με χρήση barcodes. Εικόνα 3.2 Η τεχνολογία RFID (Radio FrequencyIdentification) είναι μία σχετικά νέα, προηγμένη τεχνολογία αυτόματης συλλογής δεδομένων (Automated Data Collection ADC) που επιτρέπει τον εξ αποστάσεως εντοπισμό και την ασύρματη αναγνώριση αντικειμένων χρησιμοποιώντας ραδιοκύματα διαφόρων συχνοτήτων, ανάλογα με τη φύση και το υλικό των αντικειμένων, τις απαιτούμενες αποστάσεις και προδιαγραφές αναγνώρισης και το περιβάλλον λειτουργίας. Οι σχετικές ετικέτες (RFID tags) μοιάζουν με αυτές των barcodes, αλλά επιπλέον περιέχουν ένα μικροτσίπ και μία κεραία ώστε να μπορούν να επικοινωνούν άμεσα και, εν αντιθέσει με τις ετικέτες barcode, χωρίς οπτική επαφή και μεμονωμένη σάρωση με τους σχετικούς αναγνώστες (readers), λαμβάνοντας από αυτούς την απαιτούμενη 48

49 ενέργεια. Τα παραπάνω μοναδικά τεχνικά χαρακτηριστικά της τεχνολογίας RFID παρέχουν, ενδεικτικά, τις εξής δυνατότητες: Αυτόματη, σωστή εξ αποστάσεως μονοσήμαντη αναγνώριση και καταγραφή των ειδών, συσκευασιών, παλετών, κλπ κατά την αποθήκευση, εξαγωγή, φόρτωση, αποστολή, εκφόρτωση, μετακίνηση, ενδοδιακίνηση, cross-docking κλπ), καθώς και των σχετικών οχημάτων μεταφοράς (περονοφόρα, φορτηγά διανομής, κλπ) Μαζική ανάγνωση των ετικετών RFID και αυτόματη ενημέρωση σε πραγματικό χρόνο (on-line, real-time) των κεντρικών συστημάτων επιχείρησης (ERP, WMS, CRM, κλπ) Αυτοματοποιημένη διαχείριση των παγίων περιουσιακών στοιχείων της επιχείρησης (έπιπλα, μηχανήματα, κλπ) με ακριβή καταγραφή του κωδικού και της θέσης κάθε παγίου, καθώς και πλήρη τήρηση του ιστορικού του (αγορά, μετακίνηση, συντήρηση, επισκευή, κλπ) Τα συστήματα RFID απαρτίζονται από δύο κύρια μέρη. Το πρώτο είναι οι πομποδέκτες (transponders) που συχνά αναφέρονται και ως ετικέτες RFID (RFID tags). Οι ετικέτες RFID είναι μικρά chips που αποτελούνται από ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα, το οποίο περιλαμβάνει μνήμη ώστε να αποθηκεύει δεδομένα- πληροφορίες, και μία κεραία. Το μέγεθός τους μπορεί να είναι τόσο μικρό όσο το μισό ενός κόκκου άμμου (1/3 του χιλιοστού), ανάλογα με το τύπο τις ετικέτας. Το δεύτερο μέρος είναι οι αναγνώστες ή αισθητήρες (readers), οι οποίοι ανακτούν τα δεδομένα από τις ετικέτες RFID. Οι αναγνώστες RFΙD έχουν ενσωματωμένα μια κεραία και μια μονάδα ελέγχου. Η λειτουργία των συστημάτων RFID είναι απλή και βασίζεται στη δυναμική και αμφίδρομη επικοινωνία των ετικετών και των αναγνωστών. Όταν οι ετικέτες RFID βρεθούν στην εμβέλεια της κεραίας του αναγνώστη, η μονάδα ελέγχου επικοινωνεί με ραδιοκύματα με την κεραία των ετικετών RFID. Οι ετικέτες RFID ενεργοποιούνται με τη σειρά τους και επιστρέφουν τα αναζητούμενα δεδομένα στους αναγνώστες. Στη συνέχεια παρεμβαίνει ένα ενδιάμεσο λογισμικό, το οποίο κατανοεί τις πληροφορίες, οι οποίες αποστέλλονται από τη μονάδα ελέγχου του αναγνώστη. Ο αναγνώστης τις μεταφέρει στο εκάστοτε πληροφοριακό σύστημα. 49

50 Οι ετικέτες RFID κατηγοριοποιούνται σε τρεις τύπους ανάλογα με τον τρόπο επικοινωνίας μεταξύ των ετικετών και των αναγνωστών, στις ενεργές ετικέτες, στις παθητικές ετικέτες και στις ημι-παθητικές ετικέτες. Ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα στις ετικέτες RFID μπορεί να περιέχει μνήμη μόνο για ανάγνωση (read only memory - ROM), επανεγγράψιμη μνήμη (Read Write), μνήμη μιας εγγραφής και πολλών αναγνώσεων (Write Once and Read Many memory - WORM). Στο ολοκληρωμένο κύκλωμα με μνήμη ROM, η αναγνώριση της ταυτότητας κωδικοποιείται κατά τη διάρκεια της παραγωγής της και δεν επανεγγράφεται. Συμβάλει στην αποθήκευση των δεδομένων ασφαλείας, με ένα μοναδικό σειριακό αριθμό. Αντίθετα, τα ολοκληρωμένα κύκλωμα με επανεγγράψιμη μνήμη χρησιμοποιούνται για να αποθηκεύουν δεδομένα πληροφορίες, όταν η ετικέτα βρίσκεται στην ακτίνα του αναγνώστη και παρουσιάζουν μεγαλύτερη ευελιξία, καθώς έχουν τη δυνατότητα τροποποίησης και προσθήκης πληροφοριών. Τέλος, τα ολοκληρωμένα κυκλώματα με μνήμη WORM προγραμματίζονται από τον οργανισμό που τα χρησιμοποιεί, χωρίς όμως να έχουν τη δυνατότητα της επανεγγράφης. Τα δεδομένα που αποθηκεύονται στις ετικέτες αποτελούνται από ένα μοναδικό αναγνωριστικό και μπορούν, επίσης, να περιλαμβάνουν ένα λειτουργικό σύστημα, μία αποθήκη δεδομένων (πτητική ή όχι) και έναν ηλεκτρονικό κώδικα προϊόντων (Electronic Product Code - EPC ) Το μέγεθος των δεδομένων, που μια ετικέτα RFID έχει την δυνατότητα να υποθηκεύσει, καθορίζεται από τον εκάστοτε προμηθευτή αλλά και την ίδια την εφαρμογή, με ανώτερο όριο αποθήκευσης τα 2KB. Χωρητικότητα αρκετή για να αποθηκευτούν τα απαραίτητα δεδομένα του κάθε αντικειμένου. Μια άλλη σημαντική κατηγοριοποίηση που μπορούμε να διακρίνουμε στις ετικέτες RFID σχετίζεται με την κατασκευή και την εφαρμογή τους. Δεδομένου ότι τα συστήματα RFID έχουν εφαρμογή σε διάφορους τομείς στην καθημερινή ζωή του σύγχρονου ανθρώπου, η κατασκευή των ετικετών RFID αλλάζει ανάλογα με τις εφαρμογές και τις ανάγκες που χρειάζεται κάθε φορά, να καλύψει. Οι αναγνώστες RFID αποτελούνται από μία κεραία, η οποία αναλαμβάνει την επικοινωνία, μέσω ραδιοσυχνοτήτων, με τις ετικέτες. Καθώς και μία μονάδα ελέγχου, που εκτελεί δύο συγκεκριμένα έργα. Πρωτίστως τον καθορισμό των διάφορων ενεργειών (αποστολή/ λήψη σημάτων, ανάγνωση/ εγγραφή ετικετών 50

51 κ.ά.). Ενέργεια που πραγματοποιείται μέσω του ενδιάμεσου λογισμικού. Και δευτερευόντως την επικοινωνία με το πληροφοριακό σύστημα. Οι αναγνώστες RFID μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε σχέση με τις φυσικές τους διαστάσεις, την εφαρμογή τους και τις τεχνικές ιδιότητες σε "σταθερούς αναγνώστες", "ολοκληρωμένους αναγνώστες", "αναγνώστες χειρός" και σε "ενσωματωμένους αναγνώστες" Οι εφαρμογές του τεράστιες, με κλασικό παράδειγμα τα προϊόντα που έχουν συρμάτινες ταινίες στις αλυσίδες καταστημάτων. Τα σημαντικά πλεονεκτήματα που προσφέρει το RFID είναι: Η αναγνώριση μπορεί να γίνει από απόσταση μιας και υπάρχουν RFID tags που είναι σε θέση παίρνοντας ενέργεια από κάποια πηγή που συνήθως είναι μπαταρία να στείλουν τις πληροφορίες στον δέκτη. Δυνατότητα αποθήκευσης περισσοτέρων δεδομένων σε σχέση με τα Bar Code Μπορούν να μην είναι ορατά στο ανθρώπινο μάτι τα RFID tags μιας και για την αναγνώριση τους δεν χρειάζεται οπτικό μέσο. Δυνατότητα προγραμματισμού εξ αποστάσεως Επιπρόσθετες λειτουργίες. Π.χ. Παρακολούθηση και καταγραφή της θερμοκρασίας 3.2 Αρχιτεκτονική του συστήµατος R.F.I.D Η τεχνολογία R.F.I.D. βρίσκεται στα άκρα ενός πληροφοριακού συστήµατος. Είναι στην ουσία ένας διαφορετικός τρόπος διασύνδεσης µε αντικείµενα που επιθυµούµε να αναγνωρίζουµε, να εντοπίζουµε και να συλλέγουµε πληροφορίες για αυτά. Η διασύνδεση είναι ασύρµατη και βασίζεται στα ραδιοκύµατα τα οποία µεταδίδονται στον αέρα. Παράλληλα η αναγνώριση αντικειµένων δεν απαιτεί οπτική επαφή (σε αντίθεση µε τον γραµµωτό κώδικα που έχει µέσο διασύνδεσης τις υπέρυθρες και απαιτεί οπτική επαφή Ένα σύστηµα R.F.I.D. περιλαµβάνει τρία βασικά στοιχεία: 1. την Ετικέτα (tag), η οποία αναφέρεται στην βιβλιογραφία και ως ποµποδέκτης (transponder) 2. τον Αναγνώστη (reader), ο οποίος αποτελείτε από την κεραία (antenna) και την µονάδα ελέγχου (control unit) 51

52 3. και το Ενδιάµεσο Λογισµικό (Middleware), το οποίο λειτουργεί ως «γέφυρα» επικοινωνίας µεταξύ του αναγνώστη και του πληροφοριακού συστήµατος Η αρχιτεκτονική του συστήµατος R.F.I.D. απεικονίζεται στην Εικόνα 3.3 και αφορά τις τρεις οντότητες που αναφέραµε δηλαδή τις ετικέτες, τους αναγνώστες και το ενδιάµεσο λογισµικό. Τα υπόλοιπα µέρη του πληροφοριακού συστήµατος (εξυπηρετητές, δίκτυα) Εικόνα 3.3: Αρχιτεκτονική συστήματος RFID 3.3 Χαρακτηριστικά συστήματος R.F.I.D Ένα βασικό σύστηµα RFID αποτελείται από τρία (3) συστατικά µέρη: Μια κεραία (antenna) Τις ετικέτες (tags / transponders) Μια συσκευή αναγνώστη (interrogator / reader) 52

53 Η κεραία (antenna) είναι η συσκευή µέσω της οποίας γίνεται η συλλογή / µετάδοση της πληροφορίας από και προς τα tags. Οι ετικέτες (tags) είναι ολοκληρωµένα κυκλώµατα µε chips µνήµης, το µέγεθος των οποίων κυµαίνεται από µερικά bits έως αρκετά Kbytes. Το φυσικό τους µέγεθος κυµαίνεται από µέγεθος γραµµατοσήµου µέχρι µέγεθος ούβλου. Τα tags µπορεί να είναι: «read-only» δηλαδή είναι προγραµµατισµένα από το στάδιο παραγωγής τους χωρίς να υπάρχει δυνατότητα επιπλέον επέµβασης ή «read / write», δηλαδή το περιεχόµενο αυτών να δύναται να τροποποιηθεί οποιαδήποτε χρονική στιγµή. Επίσης µπορεί να είναι: «παθητικά» τα οποία ενεργοποιούνται όταν βρεθούν εντός RF πεδίου που εκπέµπεται από έναν «αναγνώστη» ή «ενεργητικά», τα οποία έχουν ενσωµατωµένο αναµεταδότη και µπαταρία και εκπέµπουν µόνα τους την πληροφορία που περιέχουν. Ο αναγνώστης (reader / interrogator) είναι µια συσκευή η οποία ελέγχεται από κάποιο υπολογιστή και η οποία µεταδίδει (µέσω της κεραίας) τα RF κύµατα προς τα tags, τα οποία θα πρέπει να βρίσκονται εντός µια προκαθορισµένης ακτίνας ώστε να εντοπιστούν και να ενεργοποιηθούν. Εικόνα 3.4: Βασική διάταξη συστήματος RFID Η ίδια συσκευή λαµβάνει (πάλι µέσω της κεραίας) και αναλύει τις πληροφορίες που περιέχει κάθε tag και στη συνέχεια τις στέλνει σε κάποιον υπολογιστή για περαιτέρω επεξεργασία και αποθήκευση. Στην εικόνα 3.3 πιο πάνω, βρίσκετε ένα παράδειγµα που δείχνει πως λειτουργούν το RFID συστήµατα Μεταξύ του tag και της κεραίας ή του αναγνώστη δεν απαιτείται οπτική επαφή. Τα tags λειτουργούν σε κάθε είδους περιβάλλον υγρασία βρωµιά, ζέστη-, είναι διαφόρων µεγεθών να χρησιµοποιούνται παντού και δεν είναι αναγκαία η ευθυγράµµιση της ετικέτας µε κάποια συσκευή ανάγνωσης. Τα tags έχουν πολύ µεγάλη διάρκεια ζωής. ε 53

54 χρειάζονται συντήρηση, δε χρησιµοποιούν µπαταρίες, αντέχουν σε ισχυρά shock, σε αναταράξεις ενώ µπορούν και να επαναχρησιµοποιηθούν. Η ανάγνωση κάθε προϊόντος είναι µοναδική, η δυνατότητα εισαγωγής πληροφορίας είναι πολύ µεγάλη και γίνεται αυτόµατη µετάδοση δεδοµένων σε ERP / WMS. Τα RFID συστήµατα είναι απολύτως αυτοποιηµένα. εν απαιτείται η παρέµβαση ανθρώπου, είναι πολύ γρήγορα, δεν παραλείπονται tags κατά την ανάγνωση, διαβάζονται πολλά ταυτόχρονα (έως 100) και υπάρχει µεγάλη ασφάλεια δεδοµένων. 3.4 Μορφές των RFID tags Τα RFID tags διακρίνονται µε βάση τον τρόπο λειτουργίας τους σε: α) Παθητικά. Τα παθητικά δεν αποτελούν από µόνα τους πηγή ενέργειας. Η λειτουργία τους βασίζεται στην τροφοδότηση τους από το ηλεκτροµαγνητικό πεδίο που δηµιουργεί ο RFID reader όταν αυτός ζητάει να λάβει τις πληροφορίες που φέρει το συγκεκριµένο tag. Τη στιγµή που ο αναγνώστης διαβάζει το tag δηµιουργείται στην κεραία του ηλεκτρικό ρεύµα µέσω επαγωγής που στιγµιαία αρκεί να το τροφοδοτήσει, ώστε να απαντήσει στον reader. Για λόγους ενέργειας και κόστους η απάντηση ενός παθητικού tag πρέπει να είναι πολύ σύντοµη, τις περισσότερες φορές ένας αριθµός ταυτοποίησης. Η απουσία µπαταρίας επιτρέπει στα παθητικά tags να έχουν πολύ µικρές διαστάσεις, µέχρι 0,4x0,4 mm αλλά και πρακτικά µικρές εµβέλειες ανάγνωσης, από 1 εκατοστό µέχρι 5m Εικόνα 3.5: passive RFIDtag Εικόνα 3.6 β) η άλλη µορφή των RFIDtags είναι τα ενεργά tags. Τα Ενεργά RFID tags διαθέτουν δική τους πηγή ενέργειας και συνήθως περισσότερη µνήµη που τους επιτρέπει να ανιχνεύονται σε µεγαλύτερη απόσταση, έως 100 µέτρα, αλλά επίσης και να µεταφέρουν περισσότερες πληροφορίες από τα παθητικά. Προς το παρόν τα µικρότερα ενεργά tags έχουν το µέγεθος µικρού κέρµατος ενώ η µπαταρία τους διαρκεί για 10 χρόνια. Χρησιµοποιούνται κυρίως εκεί όπου απαιτείται αρκετή απόσταση, όπως τα αυτόµατα διόδια σε αυτοκινητοδρόµους. (Bharatendu, 2004) 54

55 Εικόνα 3.7: active RFIDtag Εικόνα Σχεσεις μεταξύ στοιχείων συστήματος R.F.I.D και απειλές Ο σκοπός των συστημάτων RFID είναι να ταυτοποιούν μοναδικά πραγματικά αντικείμενα και να τα συνδέουν μοναδικά με τα δεδομένα τους. Για το λόγο αυτό είναι αναγκαίο να διασφαλιστεί η ακεραιότητα και η ασφάλεια τριών σχέσεων που υφίστανται: Ι) Η σχέση μεταξύ των δεδομένων που είναι αποθηκευμένα πάνω σε μια ετικέτα RFID και την ίδια την ετικέτα RFID. Αυτή η σχέση πρέπει να είναι μοναδική, καθώς τα δεδομένα, μεταξύ αυτών και ο μοναδικός σειριακός αριθμός της ετικέτας (serial number), αποτελούν την ταυτότητα της RFID ετικέτας. Είναι επιτακτικό λοιπόν, να αποφευχθεί η ύπαρξη δύο ετικετών με την ίδια ταυτότητα δηλαδή τα ίδια δεδομένα. II) Η σχέση μεταξύ της ετικέτας RFID και του αντικειμένου που πρόκειται να ταυτοποιήσει (μηχανική σχέση). Αυτή η σχέση πρέπει να είναι μοναδική με την έννοια ότι δεν μπορεί μια ετικέταrfid να τοποθετηθεί σε ένα άλλο αντικείμενο είτε κατα την αρχική της τοποθέτηση είτε κατά τη χρήση της. ΙΙΙ) Η σχέση μεταξύ της ετικέτας RFID και του αναγνώστη (ασύρματη διασύνδεση). Η σχέση αυτή πρέπει να ικανοποιεί τον περιορισμό ότι μόνο οι εξουσιοδοτημένοι αναγνώστες εντοπίζουν, επικοινωνούν και διαχειρίζονται σωστά τα δεδομένα της ετικέτας RFID ενώ η πρόσβαση από άλλους αναγνώστες απαγορεύεται. 55

56 Εικόνα 3.8: Σχέσεις στοιχείων RFID και απειλών Οι απειλές που αντιμετωπίζει ένα σύστημα RFID υφίστανται τόσο στα ίδια τα στοιχεία του συστήματος όσο και στις σχέσεις μεταξύ αυτών όπως περιγράφηκαν παραπάνω. Συγκεκριμένα, οι απειλές αυτές είναι: Κακόβουλη τροποποίηση δεδομένωντα δεδομένα που είναι αποθηκευμένα στην ετικέτα RFID, εκτός του σειριακού αριθμού και πιθανών άλλων αναγνωριστικών (π.χ κλειδιά) τροποποιούνται με σκοπό να εξαπατήσουν. Τέτοιου είδους επιθέσεις παρατηρούνται σε συστήματα ασφάλειας ή πληρωμών όπου σκοπός είναι να αναγνωρίζεται η ετικέτα RFID από το σύστημα με τροποποιημένα όμως τα δεδομένα της Πλαστή ταυτότητα ετικέτας Ο επιτιθέμενος αποκτά τον σειριακό αριθμό της ετικέτας RFID και πιθανώς άλλα στοιχεία ασφαλείας συστήματος με σκοπό να εξαπατήσει τον αναγνώστη στο να δεχτεί μια άλλη ετικέτα RFID. Στην ουσία ο επιτιθέμενος κλωνοποιεί την ετικέτα RFID και την εισάγει στο σύστημα εξαπατώντας το. Επιθέσεις σαν και αυτή εμφανίζονται στην εφοδιαστική αλυσίδα όπου γίνεται εφικτή η κλοπή προϊόντων με την εξαπάτηση του συστήματος ότι τα προϊόντα υφίστανται. Απενεργοποίηση Η ετικέτα RFID δεν είναι πλέον αναγνωρίσιμη από το σύστημα ή δεν εντοπίζεται καθόλου από τους αναγνώστες. Η απενεργοποίηση είναι δυνατή από εντολές σβησίματος δεδομένων (delete), νόμιμης απενεργοποίησης (kill) και φυσικής 56

57 καταστροφής. Οι επιθέσεις αυτές έχουν σκοπό την κακή διαχείριση αντικειμένων αλλά και στην κλοπή αυτών. Αποκόλληση Η ετικέτα αποκολλείται φυσικά από το αντικείμενο στο οποίο βρισκόταν με αποτέλεσμα να παύει να είναι αναγνωρίσιμο. Σύνηθες φαινόμενο είναι η προσκόλληση διαφορετικής ετικέτας σε αντικείμενο για την εξαπάτηση του συστήματος (π.χ επικόλληση ετικέτας που προσδίδει μικρότερη αξία στο αντικείμενο που πρόκειται να αγοραστεί. Παρακολούθηση Τα δεδομένα που ανταλλάσσονται μεταξύ αναγνώστη και ετικέτας κατά την επικοινωνία τους, υποκλέπτονται και αποκωδικοποιούνται. Μπλοκάρισμα Μια ειδικά κατασκευασμένη ετικέτα (blocker tag) δημιουργεί την εντύπωση στον αναγνώστη ότι πολύ μεγάλος αριθμός ετικετών διαβάζονται ταυτόχρονα οπότε ο αναγνώστης αυτο-μπλοκάρεται λόγω της σύγκρουσης πουδημιουργείται. Παρεμβολή Η παρεμβολή στην ασύρματη διασύνδεση μεταξύ αναγνώστη και ετικέτας είναι σχετικά εύκολη και επιτυγχάνεται με μέσα όπως κάλυψη με κατάλληλα μέσα των ετικετών ή/και των αναγνωστών. Για παράδειγμα, στα συστήματα εντοπισμού κλοπών στα καταστήματα ρούχων, αν καλυφθεί η ετικέτα που φέρουν τα ρούχα με αλουμίνιο, δεν μπορεί να διαβαστεί από τους αναγνώστες οπότε επιτυγχάνεται η παρεμβολή. Πλαστή ταυτότητα αναγνώστη Οταν ένας αναγνώστης επιθυμεί να επικοινωνήσει με μια ετικέτα πρέπει να αποδείξει την εξουσιοδότησή του. Αν ένας επιτιθέμενος επιθυμεί να διαβάσει τα δεδομένα μιας ετικέτας, αρκεί να προσοιηθεί ο αναγνώστης του ότι είναι ο πραγματικός, δηλαδή να «επιδείξει» πλαστή ταυτότητα Μέτρα κατά των απειλών υποκλοπής Αμοιβαία Πιστοποίηση αναγνώστη και ετικέτας (Mutual Authentication) Κατά τη φάση της πιστοποίησης ελέγχεται η ταυτότητα ενός αντικειμένου καθώς και τα δικαιώματά του ως προς την πρόσβαση και χρήση δεδομένων. Πιο συγκεκριμένα στα συστήματα RFID είναι απαραίτητο να ελέγχεται η ταυτότητα της ετικέτας από τον αναγνώστη και το αντίστροφο. Οπως διευκρινίζεται και στο πρότυπο ISO 9798, απαιτείται μια σειρά από βήματα κατά τα οποία γίνεται ο αμοιβαίος έλεγχος πιστότητας μεταξύ αναγνώστη και ετικέτας. Η διαδικασία αποτελείται από πέντε βήματα και έχει ως εξής: - Ο αναγνώστης ανιχνεύει την ετικέτα και την «προκαλέι» να απαντήσει - Η ετικέτα δημιουργεί έναν τυχαίο αριθμό Α και τον στέλνει στον αναγνώστη 57

58 - Με τη σειρά του ο αναγνώστης δημιουργεί ένα τυχαίο αριθμό Β και μαζί με τον αριθμό Α που έλαβε καθώς και ένα κλειδί Κ, τα κρυπτογραφεί με έναν κοινό για τα δύο μέρη αλγόριθμο κρυπτογράφησης. Η διαδικασία αυτή δημιουργεί το μήνυμα Τ το οποίο στέλνεται στην ετικέτα - Η ετικέτα λαμβάνει το μήνυμα Τ και με τη βοήθεια του κλειδιού Κ που έχει αποθηκευμένη στη μνήμη της αποκρυπτογραφεί το μήνυμα και ελέγχει αν το Α είναι ίδιο με αυτό πο προήλθε από το μήνυμα Τ. Αν ναι, τότε πιστοποιείται ο αναγνώστης στην ετικέτα. Προκειμένου να πιστοποιηθεί η ετικέτα στον αναγνώστη δημιουργεί, ομοίως, ένα νέο κρυπτογραφημένο μήνυμα που στέλενει στον αναγνώστη. - Ο αναγνώστης αποκρυπτογραφεί το μήνυμα Σ και αν το Β είναι ίδιομε αυτό που προέκυψε από το μήνυμα Σ τότε πιστοποιείται και η ετικέτα στον αναγνώστη. Κωδικοποίηση (Encryption) Η κωδικοποίηση των δεδομένων που μεταφέρονταιι μεταξύ αναγνώστη και ετικέτας μέσω της ασύρματης σύνδεσης κρίνεται κάτι παραπάνω από απαραίτητη. Προκειμένου η κωδικοποίηση να είναι εφικτή απαιτούνται ετικέτες που να υποστηρίζουν διαδικασίες κρυπτογράφησης, γεγονός που αυξάνει το κόστος τους. Για το λόγο αυτό η EPC global προτείνει οι ετικέτες να μην περιέχουν κρίσιμα δεδομένα αλλά αυτά να βρίσκονται στις βάσεις στο πίσω μέρος των συστημάτων, όπου είναι και απρόσιτα. Επομένως περιορίζει το πρόβλημα μόνο στην πιστοποίηση των ετικετών ως προς τους αναγνώστες και το αντίστροφο. Ωστόσο, παραμένει ο κίνδυνος να υποκλαπεί ο μοναδικός σειριακός αριθμόςτης ετικέτας, γεγονός που καθιστά εφικτό τον τοπικό προσδιορισμό του αντικειμένου. Μέτρα επίλυσης του προβλήματος είναι τα πρωτόκολλα κατά των συγκρούσεων που είναι ασφαλή στην υποκλοπή. Πρωτόκολλα κατά των συγκρούσεων Τα πρωτόκολλα αυτά έχουν στόχο να μην επιτρέψουν στον επιτιθέμενο στο σύστημα να υποκλέψει τις ταυτότητες των ετικετών. Εχουν αναπτυχθεί αρκετά πρωτόκολλα που κατορθώνουν να εξασφαλίσουν την εμπιστευτικότητα των ετικετών κατά τη φάση ανάγνωσής τους από τον αναγνώστη και για την απειλή της παρακολούθησης. Οριμένα από αυτά είναι : Silent tree-walking, Chained hashes, Pseudonymization, Randomized hash-lock. Πρόληψη κατά του μη εξουσιοδοτημένου διαβάσματος ετικετών Οι ετικέτες μπορούν να ενεργοποιηθούν ανά πάσα στιγμή από το περιβάλλον τους, γεγονός που τις καθιστά ευάλωτες σε αναγνώσεις που δεν είναι εξουσιοδοτημένες. Εχει προταθεί η χρήση μιας ετικέτας μπλοκαρίσματος που εμποδίζει τους αναγνώστες που δεν έχουν εξουσιοδότηση να διαβάσουν τις ετικέτες. Η ετικέτα μπλοκαρίσματος μπορεί να είναι είτε μια ετικέτα RFID με υψηλή λειτουργικότητα είτε μια συσκευή που παριστάνει ότι είναι μια ετικέτα RFID και προσομοιώνει στον αναγνώστη όλους τους πιθανούς σειριακούς αριθμούς ετικετών. Ως αποτέλεσμα, η ετικέτα μπλοκαρίσματος απαντάει συνέχεια στην απαίτηση του αναγνώστη για δεδομένα, καλύπτονταςέτσι τις υπόλοιπες 58

59 ετικέτεςπου βρίσκονατι μαζί με αυτή. Προκειμένου να μην προκληθεί μπλοκάρισμα σε όλα τα συστήματα RFID, ακόμα και σε αυτά που έχουν εξουσιοδότηση, έχουν προταθεί ετικέτες που μπλοκάρουν συγκεκριμένα ένα διάστημα σειριακών αριθμών επιτρέποντας έτσι την κατάλληλη ρύθμιση των συστημάτων. Μόνιμη απενεργοποίηση ετικετών Η λύση αυτή προτείνεται για αντικείμενα που έχουν φτάσει στο σημείο όοπου η ετικέτα δεν είναι πλέον απαραίτητη (π.χ αγορά προϊόντος από καταναλωτή). Η απενεργοποίηση μπορεί να γίνει με δύο τρόπους: Ι) Εντολή καταστροφής: Η απενεργοποίηση με χρήση της εντολής καταστροφήςέχει προταθεί από το 2004 από το AUTO-ID Center. Στην ουσία, είναι το σβήσιμο των δεδομένων από την ετικέτα που την καθιστούν επώνυμη. Ετσι η ετικέτα δεν ανταποκρίνεται πλεόν σε κανένα αναγνώστη οπότε δεν μπορεί να εντοπιστεί. Η εντολή καταστροφής προστατεύεται από κωδικό και πρέπει να εφαρμοστεί χειροκίνητα με πέρασμα των αντικειμένων ένα προς ένα από κατάλληλο αναγνώστη. Το γεγονός αυτό την καθιστά χρονοβόρα διαδικασία και ανεπιθύμητη προς τους καταναλωτές. Επίσης δεν εξασφαλίζεται ότι η ετικέτα απενεργοποιήθηκε δια βίου, δεδομένου ότι δεν καταστρέφεται φυσικά αλλά με κατάλληλο λογισμικό καθίσταται μη χρησιμοποιήσιμη. Θεωρητικά επομένως, με κάποιο άλλο λογισμικό μπορεί να ενεργοποιηθεί ξανά. ΙΙ) Απενεργοποίηση παρακινούμενη από το πεδίο : Ο τρόπος αυτός προτείνει την ηλεκτρομαγνητική απενεργοποίηση του υλικού της ετικέτας με τη δημιουργία ρήξης σε προκαθορισμένο σημείο στην ετικέτα. Ο τρόπος αυτός χρησιμοποιείται σε ορισμένα RFID συστήματα κατά των κλοπών σε εμπορικά καταστήματα. 3.6 Συχνότητες Λειτουργίας - Operating Frequencies Η συχνότητα λειτουργίας είναι ένα από τα πιο σημαντικά θέματα για την κατανόηση του τρόπου λειτουργίας ενός RFID συστήματος. Η παράγραφος αυτή θα αναφερθεί στις σημαντικότερες κατηγορίες λειτουργίας που συναντάται στα RFID συστήματα. Πρώτα, όμως ας οριστούν μερικά χαρακτηριστικά των συχνοτήτων. Συχνότητα ενός (περιοδικού) σήματος, είναι ο αριθμός των επαναλήψεων του σήματος ( ή της κυματομορφής του σήματος ) στη μονάδα του χρόνου. Η συχνότητα μετριέται σε Hertz (Hz). Για τα tag, η συχνότητα λειτουργίας είναι ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες για την ταχύτητα και την εμβέλεια μετάδοσης των σημάτων. Τα RFID tag έχουν την δυνατότητα να λειτουργήσουν και να αποδώσουν σε μια μεγάλη ποικιλία συχνοτήτων. Εντούτοις, δεν είναι όλες οι συχνότητες διαθέσιμες για την λειτουργία των tag, καθώς αυτές ελέγχονται από τους διεθνείς και τοπικούς οργανισμούς τηλεπικοινωνιών σε κάθε χώρα. Το θέμα των διαφορετικών συχνοτήτων και προτύπων, 59

60 θα αναφερθεί σε επόμενες ενότητες. Παρόλ αυτά υπάρχουν μερικές κοινές συχνότητες που εμφανίζονται να χρησιμοποιούνται στα περισσότερα RFID συστήματα και κατά επέκταση να επηρεάζουν και το είδος των RFID tag. Τα ραδιοκύματα συμπεριφέρνονται διαφορετικά σε διαφορετικές συχνότητες λειτουργίας, και επομένως, πρέπει να γίνεται σωστή επιλογή της συχνότητας για κάθε φαρμογή. Ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες που προσδιορίζουν το πιο είδος tag και συχνότητας θα πρέπει να επιλέγεται για κάθε μια εφαρμογή, είναι η απόσταση στην οποία η συχνότητα θα είναι διαθέσιμη για αναγνώριση. Έτσι, όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα λειτουργίας, τόσο πιο κοντινό είναι το μήκους κύματος για την μετάδοση του σήματος. Το μικρό μήκος κύματος επηρεάζει το μέγεθος της κεραίας του tag. Οπότε, σε μικρό μήκος κύματος, αποδίδει καλύτερα η κεραία που συναντάται στα RFID tag, τόσο για την λήψη όσο και αποστολή του σήματος σε μεγαλύτερη απόσταση. Επομένως, όσο χαμηλότερη είναι η συχνότητα λειτουργίας, τόσο μικρότερη είναι η περιοχή ανάγνωσης για ένα ίδιου μεγέθους tag. Ένας ακόμα παράγοντας που επηρεάζει την επιλογή της συχνότητας λειτουργίας έχει να κάνει με την απόδοση της συχνότητας σε σχέση με τα υλικά, στα οποία είναι τοποθετημένα τα RFID tag. Τα υλικά που περιβάλλον το χώρο λειτουργίας των tag επηρεάζουν την απόδοση της συχνότητας των ραδιοκυμάτων. Επομένως, για την σωστή λειτουργία και τη βέλτιστη απόδοση της περιοχής αναγνώρισης μιας συχνότητας είναι σημαντικό να λαμβάνονται υπόψη και τα υλικά που θα έρχονται σε επαφή με τα ραδιοκύματα. Οι συχνότητες των RFID tag, διακρίνονται σε τρεις κύριες ζώνες σύμφωνα με το εύρος συχνοτήτων στο οποίο λειτουργούν. Έτσι έχουμε της χαμηλές συχνότητες (Low Frequency), της υψηλές συχνότητες (High Frequency), και της πολύ υψηλές συχνότητες (Ultra High Frequency), ενώ υπάρχουν και τα μικροκύματα (Microwave), τα οποία χρησιμοποιούνται σε συγκεκριμένες εφαρμογές. Στην συνέχεια παρουσιάζονται τα σημαντικότερα χαρακτηρίστηκα τους και τα πεδία στα οποία μπορούν να λειτουργήσουν. Χαμηλές Συχνότητες Low Frequency (LF)( KHz) Κυρίως χρησιμοποιούνται σε κάρτες ασφαλείας για την πρόσβαση σε χώρους ελεγχόμενης εισόδου, διαχείριση περιουσιακών στοιχείων (π.χ. κάρτες τραπεζικών συναλλαγών), ιχνηλασία ζώων και παγίων. Επίσης θεωρούνται ιδανικές για αναγνώριση αντικειμένων με υψηλή περιεκτικότητα σε νερό, όπως τα φρούτα, και έχουν ακτίνα ανάγνωσης περίπου 0,3m. 60

61 Υψηλές Συχνότητες - High Frequency (HF) (13.56 MHz) Χρησιμοποιούνται όπου επιτρέπεται ένα μικρό ποσοστό δεδομένων και το εύρος ανάγνωσης είναι μεγαλύτερο του 1,5m. Αυτή η συχνότητα έχει το πλεονέκτημα ότι δεν επηρεάζεται από την παρουσία νερού ή μετάλλου. Γι αυτό και προτιμώνται για μεταλλικά αντικείμενα, με ακτίνα ανάγνωσης ενός μέτρου. Πολύ Υψηλές Συχνότητες - Ultra High Frequency (UHF) (850 MHz to 950 MHz) Προσφέρουν το μεγαλύτερο εύρος λειτουργίας, περίπου πάνω από 3m και υψηλή ταχύτητα ανάγνωσης. Χρησιμοποιούνται κυρίως για αναγνώριση παλετών σε αποθήκες με ακτίνα ανάγνωσης από 3,3m έως 6,6m. Σε αυτή την κατηγορία η ακτίνα ανάγνωσης μπορεί (με κάποιους περιορισμούς) να ξεπεράσει και τα 30m. Μικροκυματική συχνότητα Microwave (2.45GHz to 5.8 GHz) Μερικά RFID tag είναι σχεδιασμένα να αποδίδουν στη ζώνη εύρους των μικροκυμάτων, τυπικά στα 2.45GHz έως 5.8GHz. Η συχνότητα αυτή έχει παρόμοια χαρακτηριστικά με αυτά των UHF αλλά αποδίδουν με μεγαλύτερο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων, ενώ από την άλλη είναι πιο ακριβά και απαιτούν περισσότερη ενέργεια για να λειτουργήσουν. Είναι κατάλληλες κυρίως για ειδικές εφαρμογές. 3.7 H Λειτουργία ενός Συστήματος RFID Η διαδικασία ταυτοποίησης των μονάδων προς ανίχνευση έχει ως εξής: Η μονάδα / το αντικείμενο που φέρει το RFID tag εισέρχεται στην περιοχή εμβέλειας του εκάστοτε reader (Για μεγαλύτερη ακρίβεια θα μπορούσαμε να πούμε ότι εισέρχεται στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που δημιουργεί ο reader εκπέμποντας ηλεκτρομαγνητικά κύματα). Η κεραία ενεργοποιείται και αποστέλλει μέσω του ασύρματου δικτύου με ραδιοκύματα τις πληροφορίες που έχει αποθηκευμένες το RFID tag. Ο reader τις λαμβάνει, τις επεξεργάζεται και τις μετατρέπει σε δεδομένα, τα οποία αποστέλλονται σε έναν τοπικό υπολογιστή και ίσως στη συνέχεια σε ένα απομακρυσμένο πληροφοριακό σύστημα. Ο στόχος είναι τα δεδομένα αυτά να επεξεργαστούν περαιτέρω με την βοήθεια του κατάλληλου λογισμικού - για την καλύτερη διαχείριση των προς παρακολούθηση μονάδων και την εξαγωγή χρήσιμων συμπερασμάτων. Οι ετικέτες ασύρματης ανίχνευσης (RFID tags) είναι συσκευές που ενσωματώνουν τσιπ (chip) και κεραία (antenna) και μπορούν να ανιχνευθούν αυτόματα από σταθερούς ή 61

62 φορητούς αναγνώστες (readers) RF, χωρίς να είναι απαραίτητη η σάρωση του κάθε μεμονωμένου αντικειμένου. Η κεραία επιτρέπει στο chip να μεταφέρει τις πληροφορίες αναγνώρισης του υλικού στονreader, ο οποίος με τη σειρά του μετατρέπει τα ραδιοκύματα που "αντανακλώνται" από το RFID tag σε ψηφιακές πληροφορίες. Οι πληροφορίες αυτές μπορούν στη συνέχεια να "περάσουν" σε υπολογιστές για περαιτέρω χρήση. Τα RFID tag διακρίνονται σε πολλούς τύπους, ανάλογα με την κατασκευή, τη χωρητικότητά και τη δυνατότητα επεξεργασίας και μετάδοσης των δεδομένων που περιέχουν. Στην απλή μορφή των RFID tag, το chip περιλαμβάνει έναν μοναδιαίο κωδικό αναγνώρισης ή έναν αριθμό συσκευής, με το οποίο κάνει μοναδικό και το προϊόν στο οποίο είναι τοποθετημένο κατά την αναγνώριση του από τους readers, παρόμοια με τον τρόπο που λειτουργεί το barcode. Ωστόσο η βασική διαφορά των tag είναι η κατά πολύ μεγαλύτερη χωρητικότητα που έχουν για την αποθήκευση των πληροφοριών απ ότι το barcode. Κατά αυτό τον τρόπο, διευρύνονται οι επιλογές των προς αποθήκευση κωδικοποιημένων πληροφοριών σε ένα tag, που ξεπερνούν πλέον τον μοναδιαίο αριθμό παρτίδας του κατασκευαστή και μπορούν να περιλαμβάνουν χαρακτηριστικά ιδιοκτησίας, βάρους, προορισμού καθώς και ιστορικά στοιχειά, όπως θερμοκρασία, και ημερομηνίες λήξης. Έτσι δημιουργείται ένας μεγάλος κατάλογος που μπορούν να αποθηκευτούν στα RFID tag, αναλόγως των απαιτήσεων και των αναγκών της εκάστοτε εφαρμογής. Ένα RFID tag μπορεί να τοποθετηθεί σε μεμονωμένα προϊόντα, στις συσκευασίες ή παλέτες για λόγους προσδιορισμού, καθώς στον πάγιο εξοπλισμό, όπως τα ρυμουλκά, τα containers, κ.λπ. Η αγορά για τα RFID tag περιλαμβάνει πάνω από 500 διαφορετικούς τύπους ετικετών, οι οποίοι διαφέρουν πολύ στο κόστος, το μέγεθος, την απόδοσή τους και τους μηχανισμούς ασφαλείας. Ακόμα και όταν σχεδιάζονται tag για να συμμορφωθούν με ιδιαίτερα πρότυπα, απαιτείται περαιτέρω σχεδιασμός για να προσαρμοστούν στις απαιτήσεις των συγκεκριμένων εφαρμογών. Η κατανόηση των σημαντικότερων χαρακτηριστικών των ετικετών μπορεί να βοηθήσει στο σωστό σχεδιασμό των συστημάτων RFID, καθώς αυτά προσδιορίζουν τα χαρακτηριστικά των ετικετών που απαιτούνται στο συγκεκριμένο περιβάλλον και στις απαιτήσεις τους. 62

63 Τα σημαντικά συστατικά μέρη ενός tag αποτελούνται από: 1. Το chip 2. Την Antenna του tag Το chip και η antenna συνήθως είναι χαραγμένα ή τυπωμένα σε διάφορα δυνατά υποστρώματα, όπως σε πολυαμίδιο, πολυεστέρα ή χαρτί. Επίσης μια σημαντική συνιστώσα είναι το ASIC, το οποίο είναι τοποθετημένο μεταξύ της εσωτερικής πλευράς της antenna. Για την τοποθέτησή του χρησιμοποιούνται διάφορες τεχνικές όπως, η σύνδεση καλωδίων, η τεχνική του μονταρίσματος της επιφάνειας, και η τεχνική του Flipchip. Εικόνα 3.9: Ασύρματη επικοινωνία Τα κυριότερα χαρακτηριστικά ενός tag προσδιορίζονται από: Τον τύπο Αναγνωριστικού (Identifier format), Τη Πηγή Ενέργειας (Power source), Τη Συχνότητα Λειτουργίας (Operating frequencies), Την Λειτουργικότητα (Functionality), Το Σχήμα (Form factor), Το Πρωτόκολλο επικοινωνίας (Communication protocol). 63

64 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο : ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΕΡΓΟΥ 4.1 Η λειτουργία της εφαρμογής Η αυξηµένη χρήση των οχηµάτων στους δρόµους και κυρίως των πόλεων έχει σαν αποτέλεσµα την δηµιουργία κυκλοφοριακών κουµφούζιων δηµιουργώντας έτσι προβλήµατα στην µετακίνηση των οχηµάτων έκτακτης ανάγκης. Γι αυτό το λόγο η παρούσα πτυχιακή έχει ως σκοπό την διευκόλυνση των οχηµάτων αυτών ώστε να µπορούν να κινηθούν άµεσα στο σηµείο όπου υπάρχει ανάγκη. Η εφαρµογή η οποία υλοποιήθηκε είναι η τοποθέτηση ασύρµατου στα οχήµατα έκτακτης ανάγκης προς τους φωτεινούς σηµατοδότες ώστε κάθε φορά όπου ένα όχηµα ανάγκης πρέπει να µεταβεί σε κάποιο σηµείο τοποθετόντας το ένα TAG που βρίσκεται πάνω στο ίδιο το όχημα και αυτόµατα δίνουν προτεραιότητα (µε πράσινο) στους δρόµους απ τους οποίους περνάει και διακόπτουν (µε κόκκινο) όλους τους άλλους. Η υλοποίηση έγινε µε τη χρήση Προγραμματιζόμενου Λογικού Ελεγκτή GLOFA GM7, αρχικά έγινε η µελέτη για τον τρόπο λειτουργίας των φωτεινών σηµατοδοτών καθώς επίσης και για τον τρόπο µε τον οποίο θα δίνεται η προτεραιότητα. Στη συνέχεια έγινε η δηµιουργία της μακέτας στην οποία τοποθετήθηκε ο προγραμματιζόμενος λογικός ελεγκτής GM7 καθώς και τα φανάρια χρησιµοποιώντας λαµπάκια τύπου led 3 (v). Έπειτα υλοποιήθηκε και τοποθετήθηκε το σύστημα RFID µε το οποίο γίνεται η επικοινωνία των οχηµάτων και των φαναριών. Τέλος γράφτηκαν οι κώδικες µε τους οποίους προγραμματίσαμε το P.L.C. µέσω του κατάλληλου προγράµµατος GMWIN χρησιµοποιώντας τη γλωσσά Ladder. Η συγκεκριµένη εφαρµογή έγινε σε µια διασταυρωση µε τρία φανάρια και γι αυτό θα πρέπει να τονιστεί ότι είναι εφικτή και για δρόµους µε περισσότερα από τρία φανάρια τροποποιώντας τον κώδικα και προσθέτοντας περισσότερους φωτεινούς σηµατοδότες κ πομπο-δεκτη για το φαναρι που επιλεγουμε.στη συγκεκριμενη περιπτωση υποτειθετε πως το οχημα εκτακτου αναγκης πρεπει να παει στο προορισμο του και θελει το φαναρι «1» από κοκκινο να γινει πρασινο.πατοντας λοιπον το πομπο ο δεκτης κανει στην ουσια restart το προγραμμα του PLC με σκοπο να γινει πρασινο κ στα υπολοιπα να επικρατει τι κοκκινο. 64

65 4.2 Στάδια ανάπτυξης της μακέτας Εικόνα 4.1 Αρχικά έγινε η σχεδίαση του δρόμου επάνω στη μακέτα δημιουργώντας ένα βουνό επάνω αριστερά, καθώς και κάτω δεξιά μια λίμνη για τι καλαισθησία της εργασίας. 65

66 Εικόνα 4.2 Στη συνέχεια ορίσαμε που θα τοποθετηθούν οι σηματοδότες καθώς και το πως θα διαμορφωθεί η υπόλοιπη μακέτα. 66

67 Εικόνα 4.3 Εικόνα

68 Εικόνα 4.5 Εικόνα 4 Παρατηρούμε τις τρεις τρύπες στη μακέτα στις οποίες θα τοποθετηθούν οι φωτεινοί σηματοδότες.στη κάτω αριστερά θα τοποθετηθεί το φανάρι 1,στη πάνω δεξιά το φανάρι 2 και στη κάτω δεξιά το φανάρι 68

69 Εικόνα 4.7 : αναγνώστης (reader) Επόμενο βήμα, τοποθετήσαμε το σύστημα RFID στη μακέτα δίπλα στο δρόμο, έτσι ώστε να γίνει η προσομοίωση με τη βοήθεια του P.L.C που είναι συνδεμένο. Τη στιγμή που περνάει το όχημα εκτάκτου ανάγκης λίγο πριν το φανάρι 1 και έχοντας πάνω του το παθητικό TAG που τοποθετήσαμε,να διαβάσει ο αναγνώστης(reader) τη ραδιοσυχνότητα και το P.L.C. να αλλαξει τη κυκλοφορία στα φανάρια με αποτέλεσμα, από κόκκινο που θα ειχε το φαναρι 1 να γινει πρασινο δινοντας κοκκινο στα υπολοιπα φαναρια με σκοπό να περάσει τη διασταυρωση πρωτο, το οχημα εκτακτου ανάγκης κ μετα από 10 s που είναι ρυθμισμενο στο προγραμμα για το κύκλο κυκλοφορίας το plc να δινει ταση στην έξοδο Q 0.0 που είναι το πράσινο στο φανάρι 1 να συνεχισει το κύκλο κυκλοφοριας κανονικά 69

70 Εικόνα 4.8 Για τα φανάρια χρησιμοποίηθηκε ένας χαλκινος σωληνας που διαμορφωσα με το τροχο και το δράπανο ετσι ώστε να τον κόψω σε τρία σκέλη καi να ανοίξω τρύπες για να τοποθετηθουν 70

71 Εικόνα 4.9 τα led 3(v) όπου είναι μονομένα μεταξύ τους, ο θετικός πόλος με τον αρνητικό με μακαρονι καθώς και μονοτική ταινία για την αποφυγή βραχυκυκλώμα. 71

72 Εικόνα 4.10 Για κάθε led τοποθετήσαμε μια αντισταση R=500(Ω) στο καλώδιο που καταλήγει στο θετικό πόλο μεταξυ τροφοδοτικού και led για να ασφαλίσουμε το ενδεχομενο να καούν τα leds σε περίπτωση το που το τροφοδοτικό μας δωσει παραπάνω ταση από την αρχική. 72

73 Εικόνα 4.11 Εδω παρατηρούμε το πίσω μέρος της μακέτας (που έχει τοποθετηθεί πάνω σε μια βάση φελιζόλ για τη σταθερότητα της και τα αυλάκια ανοίχθηκαν με πυρακτομενο σωληνα). Τα κατω καλ.ωδια είναι τέσσερα, τα δύο είναι μεταξύ του τροφοδοτικού 12(v) - RFID και τα άλλα δυο μεταξύ του RFID και P.L.C. Οι τρεις πανω καλωδιώσεις με πρωτη αριστερα είναι το φαναρι 1,επόμενη το φανάρι 3 και τελευταια το φανάρι 2 αποτελουμενες η κάθε μια ξεχωριστα από 10 αγωγους οπου 5 είναι τα θετικα και 5 τα αρνητικά των leds. 73

74 Εικόνα 4.12 Οι θετικοί αγωγοι καταλήγουν σε μια κλέμα συνδεμενοι με το θετικό του τροφοδοτικού 3(v) και τα αρνητικα των κάθε led είναι οι έξοδοι του P.L.C. ενώ το αρνητικο καλώδιο του τροφοδοτικού να είναι συνδεμενο στο COM του P.L.C. 74

75 Εικόνα 4.13 Τοποθετήθηκε μια ασφάλεια 16 (A) αριστέρα από το P.L.C. για να είναι ασφαλής το κύκλωμα. 75

76 Εικόνα 4.14 Παρατηρουμε στις εξόδους του P.L.C. που είναι συνδεμένοι οι αρνητικοί αγωγοί των leds.πανω αριστερα συνδεμένους τους αγωγους της τάσης τροφοδοσίας 220(v) και κατω με μαυρο αγωγο γεφυρες των COM για τις εξόδους οπου στο πρωτο COM είναι συνδεμένο το αρνητικο του τροφοδοτικού 3(v) 76

77 Εικόνα 4.15 Στην είσοδο του P.L.C. είναι συνδεμένες οι επαφές του RFID. Εικόνα 4.16 : η ολοκλήρωση της μακέτας 77

78 4.3 Τα βήματα για την υλοποίηση της εφαρμογής Το πρώτο βήµα που έγινε είναι η µελέτη γύρω από τον τρόπο λειτουργίας των φωτεινών σηµατοδοτών, δηλαδή το πως δουλεύει ένα φανάρι σε φυσιολογικές συνθήκες. Πιο συγκεκριµένα µε ποια σειρά αλλάζουν οι φωτεινές ενδείξεις των φαναριών (πράσινο µετά κίτρινο µετά κόκκινο και µετά πάλι πράσινο κλπ), πόσο χρόνο µένει αναµµένη η κάθε ένδειξη και αφού έχουν συγκεντρωθεί οι βασικές αυτές πληροφορίες γίνεται ο συνδυασµός µε ένα άλλο φανάρι. Οι παρακάτω πίνακες δείχνουν τον τρόπο µε τον οποίο δουλεύουν δυο φανάρια καθώς επίσης πως συµπεριφέρονται όταν θα υπάρξει ανάγκη. Για την εφαρµογή που υλοποιήθηκε έχουµε τρία φανάρια Α Β και Γ και 4 καταστάσεις για την λειτουργία τους (οι άσσοι υποδηλώνουν το πότε είναι ενεργοποιηµένα και πότε όχι): Στη πρώτη περίπτωση που το οχημα περάσει από το φανάρι Α κυκλοφορίας Α Β Γ πεζών Α Β κοκκινο 1 1 Πορτικαλι πρασινο 1 πεζών κοκκινο 1 1 πρασινο Στη πρώτη περίπτωση που το οχημα περάσει από το φανάρι Β κυκλοφορίας Α Β Γ πεζών Α Β κοκκινο 1 1 Πορτικαλι πρασινο 1 πεζών κοκκινο 1 1 πρασινο Στη πρώτη περίπτωση που το οχημα περάσει από το φανάρι Γ κυκλοφορίας Α Β Γ πεζών Α Β κοκκινο 1 1 Πορτικαλι πρασινο 1 πεζών κοκκινο 1 1 πρασινο 78

79 Μολις περασουν τα αυτοκινητα περνανε οι πεζοι ολοκληρώνοντας τον κυκλο κυκλοφορίας Α Β Γ πεζών Α Β κοκκινο Πορτικαλι πρασινο πεζών κοκκινο πρασινο 1 1 Αφού έχουµε µελετήσει την συµπεριφορά των τριών φαναριών σε φυσιολογικές συνθήκες αλλά και σε περιπτώσεις ανάγκης, στη συνέχεια γίνεται η µελέτη για το ασύρµατο όσο αναφορά τον τρόπο λειτουργίας του αλλά και για την τοποθέτηση του. Το ασύρµατο αποτελείτε από τον ποµπό ο οποίος τοποθετείται στα οχήµατα έκτακτης ανάγκης και τον δέκτη όπου τοποθετείται στην είσοδο του P.L.C.. Το ασύρµατο το οποίο σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε για την παρούσα εφαρµογή είναι χαµηλής κατανάλωσης ισχύος µε τροφοδοσία 12 Volt και εµβέλειας 50 έως 100 µέτρα (m) υπεραρκετά για την συγκριµένη εφαρµογή ωστόσο µπορεί να αυξηθεί έως 300 µέτρα συνδέοντας το µε ένα ενισχυτή. Αν σε περίπτωση οποιασδήποτε κατάστασης ενεργοποιηθεί το ασύρματο σύστημα λειτουργίας με τον πομπό θα επαναφέρει το πρόγραμμα στην αρχική του κατάσταση,δηλαδή στη περίπτωση μας επιλέξαμε το φανάρι Α για να δείξουμε την εφαρμογή κυκλοφορίας Α Β Γ πεζών Α Β κοκκινο 1 1 Πορτικαλι πρασινο 1 πεζών κοκκινο 1 1 πρασινο 3.3 Υλικά που χρειάστηκαν για την υλοποίηση της κατασκευής 1) P.L.C. Glofa gm7 lg 2) 15 Led 3(v) 3) Τροφοδοτικό 3(v) 4) Τροφοδοτικό 12(v) 5) Ασφάλεια 16 (A) 6) Τροφοδοσία 7) 15 αντιστάσεις 500 (Ω) 8) Τα υλικά για τη μακέτα 9) RFID σύστημα 10) Κλέμες/καλώδια 11) Πολύπριζο 12) Ένας σωλήνας κομμένος ανάλογα για τη δημιουργία των φαναριων 79

80 4.4 Σχεδιασμός συνδεσμολογίας της εφαρμογής στο Autocad 4.5 Προγραμματισμός P.L.C. Glofa gm7 στο software Ο χρονικος κύκλος των φαναριών που ρυθμίσαμε για τη παρουσίαση της μακέτας είναι 39. Ο χρόνος αλλαγης από φαναρι σε φαναρι είναι 10 και 3 το πορτοκαλί. Στο πρόγραμμα GMWIN χρησιμοποιήσαμε 16 χρονικά δηλαδη 8 διπλά. ΤΟ καθενα από τα διπλα,το ένα από τα δυο,μετραει το κύκλο, και το άλλο το χρόνο που δίνει σε συγκεκριμένο φανάρι. Το σύστημα λειτουργεί στα 16bit από % από οθόνη double word 32bit είναι τα ψηφία που διαβάζει οποιοδήποτε υπολογιστής Όλα τα φανάρια είναι ηλεκτρονικά μανδαλωμένα,οπότε να μπερδευτει καποιο φαναρι και να λειτουργησει ταυτοχρονα είναι αδυνατον να γινει 80

81 Φανάρι Α Εικόνα 4.17 Όπως παρατηρούμε στην εικόνα 3.2 και εφόσον η προσομοίωση ξεκινήσει να δουλεύει δίνει τάση στην έξοδο (Q0.0) η οποία είναι το πράσινο του φαναριού A Και αυτό το παρατηρούμε στην εικόνα πάνω αριστερά που είναι η προσομοίωση του P.l.c. καθώς και μέσα στο πρόγραμμα! Μετράει το χρονικό του T#7s359ms μέχρι να φτάσει στο χρόνο T#10s000ms και μόλις πετύχει το σκοπό του με την επαφή qx0.0.0 start/stop δίνει τη τάση στην έξοδο του (Q0.1) το οποίο είναι το πορτοκαλί του φαναριού Α μετράει 3sec και στη συνεχεία με τον ίδιο τρόπο σειρά παίρνει η έξοδος (Q0.2) το οποίο είναι το κόκκινο του φαναριού Α καθώς το πρώτο χρονικό μετραει το χρονικό το κύκλο του ο οποίος είναι 39sec για όλη τη λειτουργία των φαναριών στη μακέτα Τους χρόνους για το κάθε χρονικό τους ρυθμίζεις από το ON,OFF,RST δηλαδή το ποσο χρόνο θα αναμένει..το πόσο θα είναι ενεργοποιημένο, το πόσο απενεργοποιημένο ένα χρονικό 81

82 Φανάρι Β Εικόνα 4.18 Κατά τη διάρκεια λοιπόν που το φανάρι Α είναι στη κατάσταση που ορίζει η εικόνα μας το φανάρι Β στην έξοδο του παρατηρούμε ότι η Q0.5 το οποίο είναι το κόκκινο του φαναριού Αναμένοντας το χρονικό {TON} να αγγίξει τα T#13s έτσι να συνεχίσει ο κύκλος να ανάψει το πράσινο στην έξοδο Q0.3.. πορτοκαλί μετά από δέκα δευτερόλεπτα για τρία μόνο κ μόλις αγγίξει ξανά τα T#13s να ανάψει το κόκκινο 82