Αφιέρωμα στο Γ Συνέδριο «Τεχνολογία & Αυτοματισμός» ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΝ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟ ΔΙΔΑΣΚΑΛΙΑ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ ΣΤΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΑ ΕΠΑΓΓΕΛΜΑΤΙΚΑ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΗΡΙΑ-ΤΕΕ Νίκος Γλώσσας Καθηγητής Δευτεροβάθμιας Εκπαίδευσης Δημήτρης Τσελές Καθηγητής Τμήμα Αυτοματισμού Τ.Ε.Ι. Πειραιά Email: dtsel@teipir.gr ΠΕΡΙΛΗΨΗ Ο κλάδος του Αυτοματισμού είναι ένας συνεχώς αναπτυσσόμενος κλάδος. Έτσι γίνεται απαραίτητη η ύπαρξη ειδικοτήτων σχετικών με την διδασκαλία των μεθόδων αυτοματισμού σε όλες τις βαθμίδες της εκπαίδευσης. Επίσης είναι απαραίτητο να δίνονται βασικές γνώσεις Αυτοματισμού στους εκπαιδευόμενους σε άλλες συναφείς ειδικότητες. Στο άρθρο αυτό γίνεται μια σύντομη παρουσίαση της ύλης που θεωρείται απαραίτητο να γνωρίζει κάποιος μαθητής των ΤΕΕ ειδικότητας Ηλεκτρονικού, όπως αυτή παρουσιάζεται στο βιβλίο "Αρχές Αυτοματισμού" που έχει γραφεί ειδικά για τους μαθητές αυτούς. Θα εξεταστούν επίσης οι στόχοι της εκπαιδευτικής διαδικασίας, καθώς και οι μέθοδοι που θα βοηθήσουν τον μαθητή να αφομοιώσει καλλίτερα την ύλη. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το μάθημα του Αυτοματισμού είναι ένα καινούργιο μάθημα στην Δευτεροβάθμια Εκπαίδευση. Αρχές αυτοματισμού κατά το παρελθόν είχαν διδαχθεί μόνο στην ειδικότητα των Ηλεκτρολόγων στα Ενιαία Πολυκλαδικά Λύκεια, αλλά και εδώ το μάθημα ήταν προσαρμοσμένο περισσότερο προς τις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις και τους σχετικούς αυτοματισμούς, παρά στον βιομηχανικό αυτοματισμό. Ένα ερώτημα που δημιουργείται είναι αν το μάθημα του αυτοματισμού πρέπει να απευθύνεται αυστηρά στους μαθητές της αντίστοιχης ειδικότητας, ή σε ένα μεγαλύτερο φάσμα ειδικοτήτων. Η απάντηση είναι ότι βασικές γνώσεις αυτοματισμού πρέπει να έχει κάθε ηλεκτρονικός, ηλεκτρολόγος ή μηχανολόγος, όποια και να είναι η εξειδίκευσή του. Βέβαια η κάθε ειδικότητα θα πρέπει να διδάσκεται το μάθημα προσαρμοσμένο στις γνώσεις που παρέχονται στους μαθητές από τα υπόλοιπα μαθήματα. Στο άρθρο αυτό θα εξεταστούν οι γνώσεις που πρέπει να δίνονται στους μαθητές των ηλεκτρονικών ειδικοτήτων. Με την δημιουργία των ειδικοτήτων των ΤΕΕ, έγινε επιτακτική η ανάγκη συγγραφής ενός βιβλίου όπου θα παρουσιάζεται με όσο γίνεται απλούστερο τρόπο η δομή και η λειτουργία ενός αυτοματισμού. Στο εμπόριο κυκλοφορούν ελάχιστα βιβλία (Ελληνικά ή μεταφρασμένα) που αναφέρονται στον Αυτοματισμό. Κρίθηκε όμως προτιμότερο να γραφεί ένα νέο βιβλίο, ειδικά για τους μαθητές των ΤΕΕ. Οι συγγραφείς του άρθρου αυτού ανέλαβαν αυτό το έργο. 491
Επιστημονική Επετηρίδα Ε φαρμοσμένης Έ ρευνας Ένα σημαντικό πρόβλημα που παρουσιάστηκε με το ξεκίνημα της συγγραφής, ήταν αν θα αναλυόταν στους μαθητές η διάκριση μεταξύ συστήματος αυτοματισμού (automation) και συστήματος αυτομάτου ελέγχου (control system). Τελικά κρίθηκε ότι το γνωστικό επίπεδο των μαθητών δεν επιτρέπει την εισαγωγή σε τέτοιες λεπτομέρειες. Επίσης είναι εξαιρετικά αμφίβολο αν ένας απόφοιτος ΤΕΕ κλιθεί ποτέ να δημιουργήσει ένα σύστημα αυτομάτου ελέγχου. Έτσι το βάρος δόθηκε στην δημιουργία κυκλωμάτων αυτοματισμού, ενώ η βασική θεωρία των συστημάτων αυτομάτου ελέγχου παρουσιάστηκε συνοπτικά σε ένα κεφάλαιο. Η συγγραφή του βιβλίου στηρίχτηκε στην σκέψη ότι τα βασικά σημεία που θα πρέπει να κατανοήσει ένας μαθητής των ΤΕΕ από ένα μάθημα αρχών αυτοματισμού, είναι 1. Βασική δομή και στοιχεία ενός αυτοματισμού 2. Τεχνολογία και λειτουργία των διαφόρων αισθητηρίων 3. Εφαρμογή των γνώσεων των ηλεκτρονικών στην δημιουργία των απαραίτητων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων Τα δύο τελευταία μπορούν να συμπτυχθούν με τον τίτλο εφαρμογές ΠΕΡΙΕΧΟΜ ΕΝΑ ΘΕΩΡΙΑΣ Όπως έχει ήδη αναφερθεί, τα σημεία στα οποία πρέπει να εστιαστεί η διδασκαλία ενός μαθήματος Αυτοματισμού ε ίν α ι: Κατανόηση της λειτουργίας και της δομής ενός αυτοματισμού Εφαρμογές Αειτουργία και δομή ενός Συστήματος Α υτοματισμού Ξεπερνώντας το πρόβλημα του διαχωρισμού Συστήματος Αυτοματισμού - Συστήματος Αυτομάτου Ελέγχου, δίνεται ο ορισμός: Τα συστήματα αυτοματισμού ή συστήματα αυτομάτου ελέγχου, είναι διατάξεις που λειτουργούν χωρίς να χρειάζονται ανθρώπινη επιτήρηση ή παρέμβαση και δρουν κατά προκαθορισμένο τρόπο, ώστε να επιτευχθεί κάποιο επιθυμητό αποτέλεσμα με προκαθορισμένη ακρίβεια. Από τον ορισμό αυτό προκύπτουν και τα συμπεράσματα της χρησιμότητας ενός Συστήματος Αυτοματισμού. 1. Ένα σύστημα αυτοματισμού πρέπει να λειτουργεί χωρίς ανθρώπινη παρέμβαση 2. Ένα σύστημα αυτοματισμού πρέπει να εκτελεί κάποια συγκεκριμένη λειτουργία Αφού γίνει κατανοητή η έννοια και η χρησιμότητα ενός Συστήματος Αυτοματισμού, δίνεται η σχηματική περιγραφή ενός τέτοιου συστήματος. Προτείνεται η χρήση διαγραμμάτων βαθμιδών (μπλοκ διαγράμματα) για την γενική περιγραφή των συστημάτων. Έτσι σαν μια πρώτη προσέγγιση δίνεται το κύκλωμα του σχήματος 1. Στο σημείο αυτό θα πρέπει να δοθούν στον μαθητή οι έννοιες του ανοικτού και του κλειστού συστήματος και να κατανοήσει ο μαθητής τη διαφορά τους μέσα από παραδείγματα. Ο μαθητής θα πρέπει να κατανοήσει επίσης την έννοια της ανατροφοδότησης (feedback) και πως δρα στο σύστημα. Στη συνέχεια δίνεται στους μαθητές να κατανοήσουν τον διαχωρισμό μεταξύ του κυκλώματος ελέγχου και του κυκλώματος ισχύος. Στα ΤΕΕ γνώσεις σχετικές με τα κυκλώματα ισχύος διδάσκονται αποκλειστικά στις ειδικότητες των ηλεκτρολόγων. Επομένως οι μαθητές των 492
Α φιέρω μα στο Γ Σ υνέδριο «Τεχνολογία & Αυτοματισμός» ηλεκτρονικών ειδικοτήτων πρέπει να κατανοήσουν ότι αυτά που θα διδαχθούν αφορούν μόνο το κύκλωμα ελέγχου, που όμως δεν αποτελούν ένα αυτόνομο σύστημα αυτοματισμού. Σχήμα 1 Θα είναι πολύ γρήσιιιο οι διδάσκοντες να αφιερώσουν 1-2 ιιαθήιιατα για ιιια συνοπτική παρουσίαση βασικών ηλεκτοολογικών γνώσεων (υψηλά ρεύιιατα, τριφασικά ρεύιιατα, κινητήρες, κ.λ.π.) Στην συνέχεια ο μαθητής θα πρέπει να κατανοήσει τα δομικά στοιχεία ενός συστήματος αυτοματισμού και ιδιαίτερα τα αισθητήρια (sensors) και τους ενεργοποιητές (actuators). Με το σχήμα 2 δίνεται στον μαθητή να κατανοήσει τον τρόπο με τον οποίο τα στοιχεία αυτά συνδέονται για την δημιουργία του συστήματος. ΕΛ ΕΓΧ Ο Μ ΕΝ Ο ΣΥΣΤΗΜΑ Σχήμα 2 Ιδιαίτερη σημασία δίνεται στον παράγοντα μέτρηση, αφού από την ακρίβειά της εξαρτάται κατά πολύ και η ποιότητα του αυτοματισμού. Έτσι οι μαθητές πρέπει να γνωρίζουν τις βασικές μεθόδους μετρήσεων, καθώς και μια σειρά από έννοιες όπως ακρίβεια μέτρησης, σφάλμα μέτρησης, κ.λ.π. Στο σημείο αυτό ολοκληρώνονται οι βασικές γνώσεις πάνω στην δομή και την λειτουργία ενός Συστήματος Αυτοματισμού που πρέπει να έχει ένας μαθητής πριν προχωρήσει σε συγκεκριμένες εφαρμογές. Εφαρμογές Στην ενότητα αυτή θα πρέπει οι μαθητές να κατανοήσουν πως εφαρμόζονται οι γενικές γνώσεις που έχουν μέχρι τώρα γνωρίσει σε μια σειρά απλών προβλημάτων. Επιλέχθηκαν να παρουσιαστούν αρχικά απλά συστήματα αυτοματισμού σχετικά με τον έλεγχο στάθμης υγρού, έλεγχο φωτεινής στάθμης, έλεγχος θερμοκρασίας, έλεγχος θέσης και γωνίας. Στα κυκλώματα αυτά θα πρέπει κατ' αρχήν ο μαθητής να γνωρίσει τους βασικούς τύπους αισθητηρίων για την κάθε εφαρμογή. Γνώση των αισθητήριων (αρχή λειτουργίας, δυνατότητες, χαρακτηριστικά), θα 493
Επιστημονική Επετηρίδα Ε φαρμοσμένης Έ ρευνας δώσει στον μαθητή την δυνατότητα να επιλέξει το πλέον κατάλληλο για το κάθε πρόβλημα που θα αντιμετωπίσει και να δημιουργήσει το αντίστοιχο ηλεκτρονικό κύκλωμα. Στην συνέχεια δίνεται ένα τουλάχιστον κύκλωμα αυτοματισμού για την κάθε εφαρμογή. Οι μαθητές θα πρέπει να έχουν την δυνατότητα στο κάθε κύκλωμα αυτοματισμού να διακρίνουν τα επιμέρους στοιχεία του κάθε κυκλώματος. Επίσης θα πρέπει να έχει την δυνατότητα να τροποποιεί στοιχεία ή μέρη του κυκλώματος για την δημιουργία άλλων παρόμοιων αυτοματισμών. Μέσα από τις εφαρμογές θα πρέπει να κατανοήσουν οι μαθητές μια σειρά από έννοιες, όπως είναι η γραμμικοποίηση ενός αισθητηρίου, η προτοποθετημένη (ή επιθυμητή) τιμή, η σύγκριση επιθυμητής με μετρούμενη τιμή, η δράση του ενεργοποιητή, κ.λ.π. Αφού οι απλές αυτές εφαρμογές γίνουν κατανοητές από τον μαθητή, η διδασκαλία προχωρά σε πιο σύνθετες εφαρμογές, όπως είναι η αυτόνομη θέρμανση, ο κλιματισμός, ο έλεγχος καυσαερίων αυτοκινήτων, ο έλεγχος του περιβάλλοντος. Λόγω της συνθετότητας των προβλημάτων αυτών προτείνεται η παρουσίαση των βασικών μόνο αρχών λειτουργίας των κυκλωμάτων. Επίσης είναι απαραίτητο οι μαθητές να γνωρίσουν μια σειρά από βιομηχανικές εφαρμογές, όπως είναι τα συστήματα συναρμολόγησης, τα αριθμητικά συστήματα ελέγχου (CNC), τα ρομποτικά συστήματα, συστήματα χειρισμού και αποθήκευσης, ευέλικτα συστήματα παραγωγής, συστήματα ποιοτικού ελέγχου, συστήματα αναγνώρισης υπογραφών και μορφών, καθώς και συστήματα σχεδίασης με χρήση Ηλεκτρονικών Υπολογιστών. Γνώση των εφαρμογών αυτών θα φέρει τους μαθητές σε επαφή με προβλήματα που συναντιόνται συχνά στην βιομηχανία. Κλείνοντας την ενότητα των εφαρμογών οι μαθητές διδάσκονται την βασική μονάδα στην κατηγορία των προγραμματιζόμενων ελεγκτών που είναι οι Προγραμματιζόμενοι Λογικοί Ελεγκτές (PLC). Οι μονάδες αυτές χρησιμοποιούνται στην βιομηχανία όλο και περισσότερο, αντικαθιστώντας τους παλιότερους αυτοματισμούς. Ο μαθητής θα γνωρίσει την δομή ενός PLC, τον τρόπο σύνδεσής του και τις βασικές εντολές προγραμματισμού. Θα δοθούν στον μαθητή απλές εφαρμογές των ελεγκτών αυτών και θα πρέπει αυτός με την σειρά του να αποκτήσει την δυνατότητα να δημιουργεί τα δικά του προγράμματα. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ - ΕΠ ΙΣΚΕΨ ΕΙΣ Το μάθημα του αυτοματισμού είναι ένα μάθημα εξαιρετικά δύσκολο να διδαχθεί μόνο θεωρητικά. Είναι απαραίτητο οι μαθητές να γνωρίσουν τα διάφορα προβλήματα που παρουσιάζονται κατά την δημιουργία ενός ηλεκτρονικού ή προγραμματιζόμενού αυτοματισμού. Και ο μόνος τρόπος για να τα γνωρίσουν είναι να προσπαθήσουν να δημιουργήσουν μόνοι τους κάποιο αυτοματισμό. Έτσι προτείνεται μια σειρά από κυκλώματα αυτοματισμού που μπορούν οι μαθητές να δημιουργήσουν εύκολα σε ένα εργαστήριο ηλεκτρονικών. Τέτοια είναι: Κύκλωμα ελέγχου φωτεινής επιγραφής Κύκλωμα ελέγχου πόρτας γκαράζ Κύκλωμα ελέγχου θερμοκρασίας κλιβάνου Κύκλωμα ελέγχου ανεμιστήρα 494
Α φιέρω μα στο Γ Συνέδριο «Τεχνολογία ά Α υτοματισμός» Κύκλωμα ελέγχου στάθμης δεξαμενής. Επίσης θα είναν εξαιρετικά βοηθητικό για τους μαθητές να πραγματοποιηθούν μερικές ασκήσεις με PLC. Τέτοιες προτείνονται Εκκίνηση κινητήρα Αλλαγή φοράς περιστροφής κινητήρα Λειτουργία φωτεινού σηματοδότη Τέλος θεωρείται απαραίτητο η διδασκαλία να συνοδεύεται από μία σειρά επισκέψεις σε βιομηχανίες όπου οι μαθητές θα δουν σε λειτουργία μια σειρά από βιομηχανικούς αυτοματισμούς ΣΥΜ ΠΕΡΑΣΜ ΑΤΑ Από την διδασκαλία του μαθήματος Αρχές Αυτοματισμού οι μαθητές θα γνωρίσουν την βασική δομή ενός αυτοματισμού καθώς και τα επιμέρους στοιχεία του. Ιδιαίτερη σημασία πρέπει να δοθεί στην επιλογή του αισθητηρίου, αφού συχνά η δημιουργία του αυτοματισμού ξεκινά από /" 'τη ν μέτρηση. Θα πρέπει επίσης να γνωρίζουν τόσο τους απλούς αυτοματισμούς, όσο και τους πιο σύνθετους βιομηχανικούς αυτοματισμούς και να μπορούν να αναλύουν κάθε κύκλωμα στα επιμέρους τμήματά του και να περιγράφουν την λειτουργία τους. Η διδασκαλία του μαθήματος Αρχών Αυτοματισμού είναι χρήσιμο να γίνεται σε όλες τις ειδικότητες του κλάδου των ηλεκτρονικών. Γνώσεις αυτοματισμού θα δώσει στους μαθητές την δυνατότητα να ασχοληθούν μελλοντικά σε επαγγελματική βάση με τους αυτοματισμούς, που είναι μια ειδικότητα μη κορεσμένη. 495