Ενότητα 2.6 Κεφάλαιο 2 ΣΥΝΘΕΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ ΣΤΟΧΟΙ Μετά την ολοκλήρωση της ενότητας αυτής θα μπορείτε: Να αιτιολογείτε την αναγκαιότητα χρησιμοποίησης κάθε είδους αυτοματισμού. Να διακρίνετε τα μέρη ενός σύνθετου συστήματος αυτοματισμού. Εισαγωγή Η πολυπλοκότητα των εφαρμογών και η τάση για λιγότερη χειρωνακτική εργασία, μεγαλύτερη ασφάλεια, ορθότερη διαχείριση της ηλεκτρικής ενέργειας, το μικρότερο κόστος κατασκευής υλικών και εξαρτημάτων σε συνδυασμό με την ανθρώπινη ευφυΐα επέβαλε τη χρήση σύνθετων συστημάτων αυτοματισμού, όπως υδραυλικά πνευματικά ηλεκτρικά ηλεκτρονικά κ.α. Αυτό γίνεται, γιατί κάθε σύστημα εκτός των πλεονεκτημάτων που διαθέτει, έχει και μειονεκτήματα. Τα μειονεκτήματα περιορίζονται με τη χρήση σύνθετων συστημάτων. 2.6.1 ΥΔΡΟΠΝΕΥΜΑΤΙΚΟΙ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΙ Σε εφαρμογή όταν το πνευματικό σύστημα δεν μπορεί να ασκήσει μεγάλες δυνάμεις, γίνεται συνδυασμός με κατάλληλο υδραυλικό σύστημα. Ο συνδυασμός αυτός αποτελεί ένα υδροπνευματικό σύστημα αυτοματισμού. Με ένα σύνθετο σύστημα υδροπνευματικού αυτοματισμού εκτός των μεγάλων δυνάμεων επιτυγχάνεται και σταθερή ταχύτητα κίνησης, π.χ. σε ένα βραχίονα. Ο έλεγχος γίνεται στο πνευματικό μέρος του συστήματος, ενώ η ταχύτητα λειτουργίας του βραχίονα εξαρτάται από το υδραυλικό μέρος του συστήματος. Τυπική εφαρμογή υδροπνευματικού συστήματος είναι ο πολλαπλασιαστής πίεσης. 1
Σχ. 2.6.1 Σχηματική παράσταση και σύμβολο πολλαπλασιαστή πίεσης Ο πολλαπλασιαστής πίεσης αποτελείται από δύο θαλάμους πίεσης με διαφορετική επιφάνεια διατομής με τα αντίστοιχα έμβολα και ένα κύλινδρο εργασίας βλ. σχ. 2.6.1. Ο αέρας του πνευματικού συστήματος εισέρχεται στον κύλινδρο 1 από το στόμιο Α και ωθεί προς τα κάτω το έμβολό του, με αποτέλεσμα να εξαναγκάζεται το λάδι να μετατοπιστεί από τον κύλινδρο 2 (κύλινδρος πίεσης). Το λάδι μετακινείται και εισέρχεται στον κύλινδρο εργασίας, τον οποίο και μετακινεί. Τα υδραυλικά συστήματα έχουν τη δυνατότητα να ασκήσουν πολύ μεγάλες δυνάμεις, αλλά διαθέτουν πολύ μικρή ταχύτητα. Σε εφαρμογές όπου απαιτείται ταχύτητα, το πρόβλημα λύνεται με τη χρήση ηλεκτροκινητήρα, δηλαδή δημιουργείται ένα ηλεκτροϋδραυλικό σύστημα. Με τον πολλαπλασιαστή πίεσης, επιτυγχάνονται υψηλές δυνάμεις στον κύλινδρο εργασίας. Αυτό γίνεται λόγω των διαφορετικών επιφανειών που έχουν τα έμβολα στους δύο θαλάμους πίεσης. 2.6.2 ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΙ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΙ Τα ηλεκτρικά συστήματα υποστηρίζουν σχεδόν όλες τις εφαρμογές, αλλά για τον πλήρη έλεγχο των κυκλωμάτων αυτοματισμού απαιτείται η συνεργασία τους με τα κατάλληλα ηλεκτρονικά. Σαφής διαχωρισμός μεταξύ ηλεκτρολογικών και ηλεκτρονικών συστημάτων δεν υπάρχει, κυρίως επειδή έχουν την ίδια αρχή λειτουργίας, 2
δηλαδή την κίνηση ηλεκτρονίων και τα αποτελέσματα που επέρχονται, όταν αυτά διαρρέουν ένα κύκλωμα. Στις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις κτιρίων όλο και περισσότερο εφαρμόζονται σύνθετα συστήματα αυτοματισμού. Συνδυάζοντας ηλεκτρονικά και ηλεκτρολογικά εξαρτήματα πετυχαίνεται μεγαλύτερη ασφάλεια, ευελιξία, αξιοπιστία, περισσότερη άνεση και λιγότερα καλώδια. Παράλληλα σε παλαιότερα, αλλά και σε νέα κτίρια υπάρχει τάση της ελαχιστοποίησης του κόστους εγκατάστασης και κατανάλωσης. Η τάση αυτή οδήγησε στη δημιουργία μιας νέας τεχνικής που συνδυάζει ηλεκτρολογικό και ηλεκτρονικό μέρος, την τεχνική Bus ( δίαυλος επικοινωνίας ). Αυτή η τεχνική δημιουργήθηκε στο πλαίσιο μιας Ευρωπαϊκής συνεργασίας, από όπου προέκυψε το European Installation Bus (EIB). Πολλοί Ευρωπαίοι κατασκευαστές ηλεκτρολογικού υλικού συμφώνησαν για την κατασκευή και διάθεση στο εμπόριο συμβατών συσκευών με βάση κοινά συμφωνημένα πρότυπα. Στις απλές ηλεκτρικές εγκαταστάσεις για την τροφοδοσία κάθε ηλεκτρικού φορτίου, όπως είναι ο φωτισμός, η θέρμανση, οι ηλεκτρικές συσκευές κλπ. απαιτείται ξεχωριστή καλωδίωση (συρμάτωση) και κάθε φορτίο απαιτεί δικό του διακόπτη. Με τη νέα τεχνολογία δίνεται η δυνατότητα οι γραμμές τροφοδοσίας των φορτίων να κατευθύνονται προς αυτά χωρίς πρόσθετες διαδρομές ξεχωριστών διακοπτών. Σ αυτή την τεχνική ο έλεγχος και η παρακολούθηση όλων των φορτίων γίνεται από μια κοινή γραμμή (κοινός δρόμος), που ονομάζεται BUS ( δίαυλος επικοινωνίας ). Σχ. 2.6.2. Σχηματική παράσταση συστήματος Bus. 3
Ο δίαυλος επικοινωνίας αποτελεί το μέσο μεταφοράς πληροφοριών και επικοινωνίας μεταξύ όλων των συσκευών μιας εγκατάστασης. Η επικοινωνία αυτή γίνεται με ψηφιακό τρόπο και ονομάζεται μετάδοση δεδομένων (data). Για παράδειγμα η μετάδοση της πληροφορίας από ένα αισθητήριο θερμοκρασίας (Ηλεκτρονικός ψηφιακός Θερμοστάτης) στέλνεται μέσω του δίαυλου επικοινωνίας (bus) σε ένα ή περισσότερους αποδέκτες (κλιματιστικά μηχανήματα) με αποτέλεσμα την ενεργοποίησή τους. Δομικά στοιχεία μιας τέτοιας εγκατάστασης είναι σύνθετα εξαρτήματα ηλεκτρολογικής ηλεκτρονικής αρχής λειτουργίας, όπως είναι τροφοδοτικά, προσαρμοστές, αισθητήρες, συσκευές εισόδου, συσκευές εξόδου, συσκευές επικοινωνίας, συσκευές τηλεχειρισμού και ελεγκτές. 2.6.3. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ BUS (Ηλεκτρικοί - Ηλεκτρονικοί Αυτοματισμοί) α) Σε κατοικία που έχει τοποθετηθεί αυτό το σύστημα, γραμμή bus (δίαυλος επικοινωνίας) εξασφαλίζει την επικοινωνία όλων των συσκευών και των αισθητηρίων της εγκατάστασης. Κάθε συσκευή διαθέτει δικό της μικροϋπολογιστή, τη δική της μνήμη και λογική. Αφού προγραμματιστεί κατάλληλα από τον ηλεκτρολόγο εγκαταστάτη, διατηρεί το πρόγραμμά της και το εκτελεί όταν δεχθεί την κατάλληλη εντολοδότηση από το αισθητήριο. Μπορεί επίσης να λειτουργήσει και αυτόνομα. Ανεξάρτητα μέχρι τώρα συστήματα, όπως η θέρμανση, η ψύξη, ο αερισμός, ο φωτισμός, το σύστημα ασφαλείας, μπορούν να επικοινωνούν μεταξύ τους, να ανταλλάσσουν πληροφορίες και να συνεργάζονται. Έτσι με το πάτημα ενός μπουτόν, όταν φεύγουμε από το σπίτι, γίνονται αυτόματα και άμεσα όλες οι απαραίτητες ενέργειες όπως: το θερμοσίφωνο, η κουζίνα, τα πλυντήρια ρούχων και πιάτων βρίσκονται εκτός λειτουργίας. Τα φώτα που έχουμε ορίσει ότι δεν χρειάζονται να είναι αναμμένα, σβήνουν, τα κλιματιστικά ή το καλοριφέρ σταματούν τη λειτουργία τους. Ταυτόχρονα ελέγχεται, αν έχουν ξεχαστεί ανοικτά, εξωτερικές πόρτες και παράθυρα, οπότε ακολουθούν τα αντίστοιχα μηνύματα. Τέλος το σύστημα ασφάλειας ενεργοποιείται και τα φώτα της εξόδου θα σβήσουν μετά από μερικά λεπτά. 4
β) Περιγραφή λειτουργίας του συστήματος σε κτίριο με γραφεία μια εργάσιμη ημέρα. Τα φωτιστικά σώματα, ανάβουν την προγραμματισμένη ώρα το πρωί με ένταση φωτισμού που εξαρτάται από τον εξωτερικό φωτισμό και ελέγχεται από ειδικό αισθητήριο. Φωτιστικά σώματα που είναι κοντά στο παράθυρο και υπάρχει φυσικός φωτισμός, πιθανόν να είναι σβηστά. Όσο μακρύτερα είναι τοποθετημένο το φωτιστικό σώμα από το παράθυρο, τόσο μεγαλύτερη είναι και η ένταση φωτισμού του. Μετά το πέρας της εργασίας το συνεργείο καθαριότητας ενεργοποιεί το πρόγραμμα φωτισμός για εργασίες καθαριότητας για κάθε όροφο ξεχωριστά. Ο νυχτοφύλακας έχει δυνατότητα να δίνει την εντολή φωτισμός ασφάλειας περιορίζοντας το φωτισμό μόνο σε διαδρόμους και σκάλες. Επίσης έχει τη δυνατότητα να δίνει την εντολή όλα τα κλιματιστικά εκτός. Για τα κλιματιστικά υπάρχει επίσης πρόγραμμα, που αν κάποιο παράθυρο είναι ανοικτό, τότε το αντίστοιχο κλιματιστικό να μη λειτουργεί. Τέτοιες αυτοματοποιημένες ηλεκτρικές εγκαταστάσεις δε φτιάχνονται για να παρέχουν υπερβολική άνεση, αλλά για απλούστερη, ασφαλέστερη και ευκολότερη χρήση. Επίσης λειτουργούν οικονομικά, οικολογικά χωρίς σπατάλες ενέργειας, παρέχοντας ενδείξεις και πληροφορίες με βάση πάντα τις ανάγκες και τις απαιτήσεις των ανθρώπων. Αυτά τα παραδείγματα ηλεκτρολογικής εγκατάστασης με τεχνολογία bus αποτελούν τυπικά παραδείγματα σύνθετων κυκλωμάτων αυτοματισμού, επειδή υπάρχει συνεργασία ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, κυκλωμάτων επεξεργαστών και ηλεκτρικών κυκλωμάτων ισχύος. 2.6.4. ΜΙΚΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗΣ ΚΑΙ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΙ Σε βιομηχανικές εφαρμογές, με αυτοματοποιημένες μηχανές περισσότερο ή λιγότερο σύνθετες, επιτυγχάνονται καλύτερα αποτελέσματα και οικονομία, με τη χρήση ηλεκτρονικών επεξεργαστών σαν κεντρική μονάδα ελέγχου των συστημάτων αυτών. Παρόμοια λογική ακολουθούν ακόμα και απλές οικιακές συσκευές διαθέτοντας μονάδα μικροεπεξεργαστή. Για παράδειγμα, ένα σύγχρονο ηλεκτρικό πλυντήριο έχει εντυπωσιακά τεχνικά χαρακτηριστικά όπως, να «υπολογίζει» με ακρίβεια το βάρος των ρούχων που έχουν τοποθετηθεί στον κάδο του ή να «ρυθμίζει» το ποσοστό υγρασίας των πλυμένων και στεγνωμένων ρούχων για ευκολότερο σιδέρωμα, σύμφωνα με εντολή που ήδη έχει δώσει ο χειριστής του πλυντηρίου. Κατάλληλοι αισθητήρες «υπολογίζουν» την ποσότητα, τη θερμοκρασία και το ύψος της στάθμης του νερού, την πίεση του αφρού, την 5
ταχύτητα και το ρεύμα λειτουργίας του κινητήρα, δίνοντας τα ανάλογα σήματα στον μικροεπεξεργαστή. Στη γραφική απεικόνιση που ακολουθεί, αναπαριστώνται οι δυνατότητες συνεργασίας ενός επεξεργαστή με διάφορες μονάδες εισόδου-εξόδου. Μονάδες εισόδου είναι όλα τα αισθητήρια, τα μπουτόν, τα πληκτρολόγια, οι οριοδιακόπτες, τα modem και γενικά συσκευές και εξαρτήματα που δίνουν σήματα ή εντολές στον μικροεπεξεργαστή για επεξεργασία. Μονάδες εξόδου όπως ηλεκτρικοί κινητήρες, πνευματικοί και υδραυλικοί κύλινδροι, οθόνες, απαριθμητές, ενδεικτικές λυχνίες και όργανα, αφού πάρουν την κατάλληλη ηλεκτρική εντολή ή σήμα από τον επεξεργαστή, την εκτελούν για όσο χρονικό διάστημα παίρνουν την αντίστοιχη εντολοδότηση. Ο μικροεπεξεργαστής είναι τοποθετημένος σε κατάλληλη ηλεκτρονική κάρτα (πλακέτα) που ονομάζεται μητρική (motherboard). Η μητρική κάρτα φέρει υποδοχές στις οποίες συνδέονται οι κάρτες εισόδου και εξόδου του συστήματος. Τα εξαρτήματα που έχουν διακοπτική λειτουργία (ΟΝ-OFF) όπως οριοδιακόπτες, συνδέονται έμμεσα με τη χρήση διάταξης, που μετατρέπει το αναλογικό σήμα σε ψηφιακό. Αυτό γίνεται, γιατί ο μικροεπεξεργαστής μπορεί να επεξεργάζεται μόνο σήματα ψηφιακής μορφής. Στο σχήμα φαίνεται μια σειρά από συσκευές φαινομενικά ετερόκλητες μεταξύ τους, οι οποίες συνθέτουν ένα σύνολο ηλεκτρομηχανολογικού εξοπλισμού (αισθητήρια, κινητήρες, όργανα, συσκευές κλπ.) που λειτουργεί με συγκεκριμένη λογική διαδικασία (προγραμματισμός) ελεγχόμενο από κατάλληλη ηλεκτρονική διάταξη (μικροεπεξεργαστής). 6
Σχ. 2.6.3 Μικροεπεξεργαστής και αυτοματισμοί 7
ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ Για καλύτερα αποτελέσματα στις περισσότερες εφαρμογές χρησιμοποιούνται σύνθετα συστήματα αυτοματισμού. Με υδροπνευματικά επιτυγχάνονται μεγάλες δυνάμεις και σταθερή ταχύτητα. Συνήθως όμως τα συστήματα ελέγχονται από συνδυασμό ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών αυτοματισμών. Σε σύνθετες εφαρμογές τον πλήρη έλεγχο αναλαμβάνει κατάλληλη ηλεκτρονική διάταξη που καλείται μικροεπεξεργαστής. ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ 1. Αναφέρατε τους λόγους για τους οποίους χρησιμοποιούνται σύνθετα συστήματα αυτοματισμού. 2. Περιγράψατε σε εγκατάσταση τεχνικής Bus το ηλεκτρολογικό και το ηλεκτρονικό μέρος της. 3. Αναφέρατε συσκευές που χρησιμοποιούν μικροεπεξεργαστή. ΕΡΓΑΣΙΑ Οι μαθητές αφού χωριστούν σε ομάδες (το πολύ 5 ατόμων) να υλοποιήσουν εργασία από θέματα όλων των ενοτήτων του 2 ου κεφαλαίου. 8