5.2.
Principy logického řízení
5.2.1
Struktura
logického řízení
Logické
řízení pracuje s dvouhodnotovými signály, které jednak přenášejí
informace o stavu procesu do řídicího systému, jednak povely z řídicího
systému do procesu. Podobně komunikuje (v nejjednodušším provedení) logický
řídicí systém i s obsluhou (operátorem), tj. informace jí předává prostřednictvím
dvouhodnotových signálů (optických a akustických) a povely od ní přijímá
rovněž prostřednictvím dvouhodnotových signálů (tlačítka, spínače).
|
|
Základní
bloková
struktura logického řízení nějakého (technologického) procesu je na obr. 5.1.
Logický řídicí systém přijímá z řízeného procesu dvouhodnotové signály
(spoj 2) a vyhodnocuje je. Určitou
část předává obsluze jako informaci o stavu procesu (spoj 3),
od obsluhy také přijímá příkazy a pokyny (spoj 4).
Podle výsledku vyhodnocení stavu procesu a podle příkazů obsluhy pak
vysílá dvouhodnotové signály jako povely zpět do řízeného procesu (spoj 1).
Jako zdroje signálů z procesu se používají mezní čidla
veličin (hladiny, teploty, tlaku,...), koncové spínače signalizující
polohu některých prvků zařízení (dopravníků, ventilů, klapek,...),
pomocné kontakty stykačů elektromotorů apod. Jako ovládacích prvků přenášejících
řídicí signály do technologického procesu se používá dvoupolohových
ventilů, stykačů elektropohonů, pneumatických a hydraulických ovladačů
klapek a hradítek atd. |
|
Obr.
5.1. Bloková struktura logického řízení |
Z hlediska faktoru času rozlišujeme dva typy logického
řízení: kombinační a sekvenční.
5.2.2
Kombinační logické řízení
Kombinační logické řízení je takové, kdy hodnoty výstupů
z řídicího systému jsou dány pouze okamžitými hodnotami jeho
vstupů, tedy nebere se v úvahu žádný předchozí stav. Jednoduchým příkladem
je kódový zámek, který se otevře současným sepnutím určitých spínačů
z řady.
Při návrhu funkcí kombinačního řízení nejprve
vytvoříme pro každý výstup pravdivostní tabulku, která má v levé části
tolik sloupců, kolik vstupů do řídicího systému bude mít na daný výstup
vliv. Řádků tabulky je tolik, kolik je možných kombinací vstupů. Maximálně
je to pro n vstupů 2n řádků, ale ne všechny kombinace mívají z praktického
hlediska smysl, protože některé nemohou nikdy nastat. Ke každé kombinaci
vstupů pak určíme hodnotu výstupu podle požadované řídicí funkce. Tím
získáme pro každý výstup řídicího systému logickou funkci definovanou
pravdivostní tabulkou. Pomocí ÚDNF nebo ÚKNF převedeme tabulky na logické
výrazy, ty pomocí zákonů Booleovy algebry co nejvíce zjednodušíme a pak
řízení vhodným způsobem technicky realizujeme.
5.2.3
Sekvenční logické řízení
Sekvenční logické řízení je takové, kdy hodnota výstupů
nezávisí pouze na okamžitých hodnotách vstupů, ale ještě i na předchozích
hodnotách vstupů a výstupů, čili na tzv. stavu procesu. Příkladem
je opět kódový zámek, který se ale otevře postupným stiskem několika určitých
spínačů z řady v určitém pořadí.
Pro uchování informací o předchozím stavu
procesu potřebujeme mít nějaký paměťový prvek. K tomuto účelu se
používá tzv. RS klopný obvod. Má dva vstupy: vstup S
(„set“) je nastavovací a vstup R
(„reset“) je mazací. Logická funkce obvodu je dána následující
pravdivostní tabulkou, kde index k se
vztahuje k předchozímu stavu a index k+1
k současnému stavu. Vpravo vedle tabulky je nakreslen symbol RS klopného
obvodu používaný v logických schématech.
|
vstupy
|
výstup
|
|
Sk
|
Rk
|
Qk+1
|
|
0
|
0
|
Qk
|
|
0
|
1
|
0
|
|
1
|
0
|
1
|
|
1
|
1
|
0 nebo 1
*)
|
|
*)
Poznámka: hodnota funkce pro argumenty R=S=1 není
podstatná, v praxi nepřichází v úvahu a výstup není
normou definován; obvody různých výrobců se v tomto případě
mohou chovat různě
|
|
|
Chceme-li znázornit funkci sekvenčního řízení, můžeme
použít pravdivostní tabulky, kde mezi vstupy zahrneme i výstupy použitých
RS obvodů. Pravdivostní tabulka vychází však v praktických případech
dost složitá a není příliš přehledná, zvláště z ní není patrná
posloupnost stavů. Proto se ke grafickému znázornění algoritmu sekvenčního
řízení používá nejčastěji tzv. funkční diagram sekvenčního řízení.
Ukázka takového diagramu je na obr. 5.2.
|
|
Bloky označené Si
představují stavy procesu, Vi jsou logické proměnné
obsahující hodnoty výstupů ve stavu Si a Ti
jsou logické výrazy definující podmínku přechodu ze stavu Si-1
do stavu Si. Jednotlivým stavům mohou být přiřazeny
i logické funkce představující vlastně kombinační logické řízení a určující
z hodnot vstupů řídicího systému hodnoty jeho výstupů Vi. |
|
Obr.
5.2 Ukázka funkčního diagramu sekvenčního řízení |
5.2.4
Příklady návrhu a simulace logického řízení
Příklad
LR-1
Úkol:
|
Navrhnout
a simulovat logické řízení míchadla v nádrži podle obr. Nádrž se
cyklicky napouští a vypouští, takže hladina uvnitř se mění.
Logické řízení má zajistit, aby míchadlo běželo během napouštění
nebo vypouštění nádrže (kdy je hladina někde mezi čidly) a neběželo
když je nádrž plná nebo prázdná.
Zabudovaná
čidla hladiny jsou dvoupolohová, ovládání motoru míchadla také. |
 |
Řešení:
Logické
proměnné příslušející signálům z čidel označíme symboly podle obrázku
a budou fungovat takto:
|
LAL = 1 |
hladina je nad čidlem, |
|
LAL = 0 |
hladina je pod čidlem, |
|
LAH = 1 |
hladina je nad čidlem, |
|
LAH = 0 |
hladina je pod čidlem. |
Logickou
proměnnou pro ovládání míchadla označíme symbolem M: pro M=1 bude míchadlo
zapnuto, pro M=0 bude vypnuto.
|
Vytvoříme
pravdivostní tabulku dva vstupy (signály z čidel) a jeden výstup
(ovládání motoru). Kombinace možných hodnot vstupů jsou čtyři, takže
tabulka bude mít 4 řádky. Podle funkce našich čidel je hladina
někde mezi nimi tehdy, když signál z dolního čidla je 1 a z
horního 0. Případ uvedený v posledním řádku tabulky nemůže v praxi nastat, protože
by to znamenalo, že je hladina zároveň pod čidlem minima a nad čidlem
maxima. |
|
|
VSTUPY
|
VÝSTUP
|
|
LAH
|
LAL
|
M
|
|
0
|
0
|
0
|
|
0
|
1
|
1
|
|
1
|
1
|
0
|
|
1
|
0
|
nemůže
nastat
|
|
Z
pravdivostní
tabulky odvodíme
(pomocí ÚDNF) algebraický zápis hledané logické funkce pro ovládání míchadla:
V
simulačním programu budeme generovat cyklické napouštění a vypouštění nádrže
pomocí bloku GEN jako trojúhelníkové kmity. Signály z čidel se modelují
jako logické výrazy pomocí relačních operací.
| Výpis programu: |
%
Příklad LR-1 (simulace kombinačního logického řízení)
%
NÁDRŽ S MÍCHADLEM
%
generování změn hladiny (napouštění / vypouštění)
h
= GEN(PAR:50,0,3,50,200,50);
%
simulace dvouhodnotových čidel hladiny
LAL
= h>hd;
% čidlo dolní meze hladiny
LAH
= h>hh;
% čidlo horní meze hladiny
%
logická funkce pro ovládání míchadla
M
= LAL*!LAH;
%
nastavení mezních hladin
hd
=
20;
% dolní mez hladiny
hh
=
80;
% horni mez hladiny
|
|
Ukázka výsledků:
V horní části
grafu je simulovaný průběh hladiny v nádrži, v dolní části
signál ovládající míchadlo. Z průběhu signálu míchadla je
vidět, že funkce řízení odpovídá zadání.
|
|
Program v PSI: |
soubory: Prikl_LR-1.PSM , Prikl_LR-1.MOD |
Příklad
LR-2
Úkol:
Navrhnout
a simulovat logické řízení míchadla v nádrži z příkladu LR-1 s tím
rozdílem, že logické řízení má zajistit, aby míchadlo běželo pouze během
napouštění nádrže a neběželo když je nádrž plná nebo prázdná,
nebo když se vypouští. Čidla hladiny a ovládání motoru míchadla fungují
stejně.
Řešení:
V
tomto případě nevystačíme s kombinační logikou, protože můžeme pouze
zjistit, zda je hladina mezi čidly, ale nepoznáme, zda se nádrž vypouští
nebo napouští. To poznáme pouze podle předchozího stavu:byla-li před tím
nádrž prázdná, napouští se, byla-li plná, vypouští se.
Nejprve
si vymezíme možné stavy procesu. Jsou to (včetně jejich slovního popisu,
který je rozlišuje):
|
S0 |
nádrž prázdná, |
hladina pod dolním čidlem |
|
|
|
S1 |
napouštění, |
hladina mezi čidly |
předchozí stav byl S0 |
|
|
S2 |
nádrž plná, |
hladina nad horním čidlem |
|
|
|
S3 |
vypouštění, |
hladina mezi čidly |
předchozí stav nebyl S0 |
|
Pro
rozlišení stavů S1 a S3 použijeme paměťového prvku, který bude pracovat
se signály čidel. Realizujeme jej pomocí logické proměnné PAM jako
výstupu RS klopného obvodu fungujícího podle následující tabulky.
|
R:
|
S:
|
PAM
|
|
0
|
0
|
zůstává
|
|
0
|
1
|
1
|
|
1
|
0
|
0
|
Na
obrázku vpravo je nakreslen sekvenční diagram řízení, kde jednotlivé
sekvence už můžeme jednoznačně definovat hodnotami signálů LAL,
LAH a PAM. Sekvenci S1 přísluší výstup M=1,
během ostatních sekvencí M=0 (to není v diagramu vyznačeno,
protože se v něm pro přehlednost uvádějí pouze výstupy rovné
1. |
|
|
Výsledná
pravdivostní tabulka (redukovaná jen na popisy jednotlivých sekvencí,
odpovídají jim řádky postupně shora) pro řízení míchadla je vpravo a z ní odvozený logický výraz (pomocí ÚDNF)
je
|
|
LAL
|
LAH
|
PAM
|
M
|
|
0
|
0
|
0 |
0
|
|
1
|
0
|
1 |
1
|
|
1 |
1 |
0 |
0 |
|
1
|
0
|
0 |
1
|
|
V
simulačním programu je oproti předchozímu příkladu paměťový prvek, který
je realizován blokem FFL (RS klopný obvod).
| Výpis programu: |
%
Příklad LR-2 (simulace sekvenčního logického řízení)
%
NÁDRŽ S MÍCHADLEM
%
generování změn hladiny (napouštění / vypouštění)
h
= GEN(PAR:0,0,3,50,200,50);
%
simulace dvouhodnotových čidel hladiny
LAL
= h>hd;
% čidlo dolní meze hladiny
LAH
= h>hh;
% čidlo horní meze hladiny
%
paměťový obvod - výstup při plnění = 1
PAM
= FFL(-1,LAH,!LAL PAR:1,0);
%
logická funkce pro ovládání míchadla
M
= LAL*!LAH*PAM;
%
nastavení mezních hladin
hd
=
20;
% dolní mez hladiny
hh
=
90;
% horní mez hladiny
|
| Ukázka výsledků:
V horní části grafu je simulovaný průběh
hladiny v nádrži, ve střední části signál ovládající
míchadlo a v dolní části výstup paměťového prvku PAM. Z průběhu
signálu míchadla je vidět, že funkce řízení odpovídá zadání.
|
|
Program v PSI: |
soubory: Prikl_LR-2.PSM , Prikl_LR-2.MOD |