OSNOVNA SKLOPOVSKA OPREMA POTREBNA ZA RAČUNALNU AUTOMATIZACIJU

1. OSNOVNA SKLOPOVSKA OPREMA POTREBNA ZA RAČUNALNU AUTOMATIZACIJU

2. Uvid u proces se dobiva preko njegovih procesnih veličina (npr. temperatura, protok, tlak…). Procesne veličine opisuju osobine procesa. Fizikalne (procesne) veličine koje se mjere zovu se još i procesne mjerene veličine. - Procesne mjerene veličine pretvaraju se pomoću senzora u izmjerene veličine koje se dalje mogu koristiti za davanje informacija operatoru (čovjeku) i kao ulazne veličine za računalnu automatizaciju procesa.

3. Sklopovska oprema za automatizaciju mora biti prilagođena tehničkom procesu te mora omogućiti prijenos podataka između procesa i računala.

4. Sklopovsku opremu možemo podijeliti u tri skupine: • Sklopovska oprema pri procesu • Sklopovska oprema za pretvorbu i prijenos podataka (dijalog) • Računalo

5. Računalo Mjerni ili upravljački algoritam Pretvorba i prijenos podataka Podaci iz procesa . . . Intervencija u proces . . .

6. SKLOPOVSKA OPREMA PRI PROCESU: • Oprema koja daje informacije o procesu • Mjerni pretvornici • Oprema koja utječe na proces • Upravljači članovi

7. Mjerni pretvornici • Pretvaraju procesne mjerene veličine u procesne signale. • TEMPERATURA • TLAK • PROTOK • . • . • . NAPON STRUJA

8. Mjerni pretvornici • Gotovo sve neelektrične veličine se uporabom prikladnih mjernih pretvornika (transducer) mogu mjeriti električnim postupcima

9. Tom pretvorbom mogu se : • razne fizikalne veličine mjeriti jednom metodom odnosno jednom vrstom mjernog instrumenta, • male promjene neelektrične veličine, nakon pretvorbe u električnu, pojačati, a zatim lako prikazati i izmjeriti manje osjetljivim mjerilima, • obaviti mjerenja na daljinu, • mjeriti i bilježiti vrlo brze promjene neelektričnih veličina

10. Pretvornik se najčešće sastoji iz: • osjetila (davač, senzor, sonda) • sklopa za oblikovanje signala • pokazivača (mjerni instrument, registracijski uređaj, osciloskop i sl.)

11. BLOK SHEMA MJERNOG PRETVORNIKA

12. Izbor pretvornika ovisi o očekivanom opsegu promjene mjerene veličine, njezinoj frekvenciji, očekivanoj točnosti mjerenja, vrsti i razini normiranog izlaznog signala, dozvoljenom vlastitom potrošku (kod pasivnih osjetila), utjecaju (interakciji) mjerene veličine s ostalim fizikalnim veličinama Osnovno svojstvo – pretvornik ne smiju djelovati na sredinu u kojoj se mjeri.

13. Pametna (smart) osjetila Mikroračunalo je pridodano samom osjetilu. Na taj način su omogućuju relativno složene obrade podataka u samom senzoru čime se poboljšava kvaliteta izlaznih podataka.

14. Podjela osjetila prema mjerenim veličinama: • Mjerenje gibanja (pomak, brzina, ubrzanje…) • Mjerenje naprezanja sile i momenta (pretvornici sile, zakretnih momenta, deformacija…) • Mjerenje tlaka (kapljevinski pretvornici, pretvornici tlaka, pretvornici vakuuma…) • Mjerenje temperature (bimetal, otpornička osjetila, termoparovi…)

15. Mjerenje protjecanja ( pretvornici protoka s promjenjivim padom tlaka na suženju, potisni pretvornici, protoka, turbinski pretvornici protoka…) • Mjerenje razine kapljevina, sipina, krutina (plovak, tlačno osjetilo, kapacitivni pretvornici, ultrazvučni pretvornici…) • Mjerenje vlažnosti (rosisni vlagomjer, apsorbijski…) • Mjerenje gustoće (ronila, hidrostatski pretvornici…) • …

16. Podjela osjetila prema vrsti izlaza: • Osjetila s analognim izlazom • Osjetila digitalnim izlazom

17. Osjetila s digitalnim izlazom ili digitalni davači Postoji više vrsta digitalnih osjetila. Ovdje će biti prikazane samo neke.

18. Običan prekidač Najjednostavnije, a najvjerojatnije i najupotrebljavanije digitalno osjetilo je običan prekidač. Kad je prekidač otvoren to se može smatrati stanjem 0 a kad je zatvoren stanjem 1. Prema tome to bi bilo osjetilo s jednobitnim izlazom. Prekidač se može aktivirati ručno ili kod promjene mjerne veličine plovkom, IC zrakom, porastom tlaka itd. Npr. kod regulacije nivoa tekućine, kad razine tekućine dosegne određeni nivo, plovak se podigne i uključi prekidač.

19. Kružni mehanički davač s binarni izlazom

20. Linearni mehanički davač s binarnim izlazom

21. Elektronički 2-bitni davač

22. Oblikovanje analognih signala Različite vrste senzora upotrebljavaju za svoj različite fizičke zakona što za posljedicu ima različite analogne izlaze iz senzora (u vrsti, obliku i veličini izlaznog signala). Kako bi se analogni signali mogli dalje obrađivati (prenositi, pretvarati u digitalne…) moraju biti istog oblika i u istom rasponu vrijednosti.

23. Stoga se analogni signal (iz osjetila) se prije prijenosa, odnosno pretvorbe u digitalni mora obraditi (oblikovati). Obrada se najčešće sastoji iz: • Kondicioniranja - pretvorbe signala na zajednički format tj. oblik i veličini koja se može dovesti na A/D pretvarač (npr. u naponski opseg od 0 - 5 V). Pritome se mora održati točnost informacije. • Kondicioniranjeje moguće i u samom osjetilu. • Filtriranja (otklanjanje utjecaja smetnji)

24. Upravljači član • Pretvaraju procesne signale dobivene iz računala u procesne veličine. • Najčešće se sastoji iz aktuatora i izvršnog člana. • Aktuator je mehanička naprava koja pomiče ili upravlja nečim. Aktuator je pretvarač energije u kretanje(npr. motor). • Izvršni član je pogonjen aktuatorom i utječe na ulaznu veličinu u proces (npr. ventil).

25. SKLOPOVSKA OPREMA ZA PRETVORBU SIGNALA • Analogno-digitalni (A/D) pretvarači • Digitalno-analogni (D/A) pretvarači

26. PRETVORBA ANALOGNOG SIGNALA U DIGITALNI A/D pretvarači zahtijevaju točno određeni iznos i oblik i veličinu ulaznog analognog signala.

27. Pretvorba analognog signala u digitalni sastoji se iz sljedećih koraka: • Uzorkovanja (engl. sampling) • Kvantizacija • Kodiranje

28. Pri pretvorbi analogni signal se diskretizirapo vremenu i amplitudi. • Pri tome se mora voditi računa da ne dođe do oštećenja (gubitka) informacija.

29. Uzorkovanje • Diskretizacijapo vremenu (vremenski razmak između uzimanja dva uzorka) mora biti takva da koraci uzimanja uzoraka signala budu dovoljno gusti da se ne izgubiti niti jedan harmonik korisnog signala i time ošteti informacija. • Kvantizacija • Diskretizacijapo amplitudi mora imati dobro razlučivanje. Mora se točno pratiti amplituda signala.

30. Kodiranje • A/D pretvarač pretvara analogni signal u binarni broj. A/D pretvarač mora imati dovoljan broj bitova kojima se prikazuje analogni signal.

31. Uzimanje uzorka i njegovo pamćenje Uzorkovanje i pamćenje (Sampleand Hold) Ulaz Izlaz Upravljanje

32. Zadatak sklopa za uzimanje uzorka je da ”učita” trenutnu vrijednost analognog signala tj. da uzme uzorak analognog signala te ga zapamti dok se očitana vrijednost u A/D pretvaraču ne pretvori u digitalnu veličinu. Najčešće se s elektroničkog gledišta to ostvari tako da se ulaznim analogni naponom preko pojačala nabije kondenzator, nakon čega se prekida veza ulaznog napona i kondenzatora. Napon na kondenzatoru ostaje nepromijenjen sve dok se ne uzme sljedeći uzorak.

33. A/D pretvarači A/D pretvarači pretvaraju analogni u digitalni signal. 2n-1 . . . Analogno digitalni pretvarač (A/D) Izlazni digitalni podaci Analogni ulaz 21 20

34. Postoji više načina pretvorbe analognog u digitalni signal. Ovdje će biti razmatrana pretvorba koja se temelji na pretvorbi analognog signala u vrijeme, zatim se mjerenju vremena dobije binarni broj (tzv. Wilkinsova metoda)

35. Pretvaranje ulaznog analognog signala u vrijeme

36. Mjerenje vremena pomoću elektroničkog sata

37. D/A pretvarači D/A pretvarači pretvaraju digitalni u analogni signal. 2n-1 . . . Digitalno analogni pretvarač (D/A) Digitalni ulazi Izlazni analogni signal 21 20

38. Jedna od izvedbi D/A pretvarača.

39. Bistabili koji prikazuju binarnu brojku upravljaju strujom čiji je iznos proporcionalan težinskoj vrijednosti bistabila u binarnom brojevnom sustavu. • Suma struja proporcionalna binarnoj vrijednosti prikazanoj u bistabilima protječe kroz otpornik R i stvara na njemu napon koji u analognom obliku prezentira binarni broj.

40. SKLOPOVSKA OPREMA ZA PRIJENOS PODATAKA • Iz mjernog pretvornika signali se mogu prenositi do malih udaljenosti. • Kod većih udaljenosti javljaju se greške zbog utjecaja smetnji i zbog gubitka energije (signal slabi). • Uređaji za pretvorbu i prijenos pretvaraju signale • u oblik koji se može prenositi • u oblik koji je otporan na smetnje

41. Odabir prijenosnog uređaja: • Prilikom odabira prijenosnog uređaja mora se uzeti u obzir: • udaljenost • točnost prijenosa • količina podataka (brzina prijenosa) • vrsta • tip medija

42. MEDIJI ZA PRIJENOS PODATAKA • Klasifikacija medija za prijenos • Žičani mediji. • Zahtijevaju da se računala povežu nekom vrstom žice. • – Bakrene žice. • – Optička vlakna. • Bežični mediji. • Računala nisu povezana nikakvim materijalom. Podaci se prenose kroz prostor nekom vrstom elektromagnetskih valova. • – Radio valovi. • – Mikrovalovi. • – Infracrvene zrake. • – Laserske zrake.

43. Bakrene žice Podaci se prenose pomoću električne struje. Koristi se bakar jer je on dobar vodič električne struje, a još uvijek relativno jeftin. Pojavljuje se problem interferencije – dvije žice induciraju struju jedna u drugoj i tako proizvode smetnju. Konstrukcija pojedinih tipova žica nastoji smanjiti interferenciju. Lagano se savijaju i spajaju. Tradicionalno se primjenjuju za povezivanje računala u LAN.

44. U upotrebi su tri tipa bakrenih žica: • neoklopljena upletena parica (Unshieldedtwistedpair – UTP). • koaksijalni kabel (Coaxialcable – coax) • Oklopljena upletena parica (Shieldedtwistedpair) - kombinacija UTP i coax.

45. Optička vlakna • Mogu prenositi signal na puno veću udaljenost nego bakrena žica. • Ostvaruju najveću moguću brzinu prijenosa. • Otporne su na elektromagnetske smetnje. • Mogu se donekle savijati, ali ne pod pravim kutom. • Teško ih je spajati i popravljati u slučaju loma. • Primjenjuju se u WAN za povezivanje udaljenih lokacija, a također i u LAN. • Tanke niti stakla u plastičnim ovojnicama. • Podaci se prenose pomoću svjetla određene boje kojeg proizvodi lightemittingdioda (LED) ili laser.

46. Radio valovi • Elektromagnetski valovi iz frekventnog raspona koji se inače koristi za radio ili televiziju. • Podaci se prenose preko valova određene frekvencije, slično kao radio program. • Računala moraju imati antene za emitiranje i primanje valova. • Domet ovisi o izabranoj frekvenciji valova. • Primjenjuju se za “wireless” LAN-ove, pogotovo za spajanje prijenosnika na mrežu. • Također se primjenjuju za uspostavljanje interkontinentalnih veza između dijelova Interneta. U tom slučaju su potrebni sateliti.

47. Mikrovalovi • Elektromagnetski valovi iz frekventnog raspona iznad onog koji se koristi za radio ili televiziju. • Podaci se opet prenose preko valova određene frekvencije, slično kao radio program. • Za razliku od radio valova, mikrovalovi se mogu usmjeriti prema jednoj točki, čime se štedi energija i sprečava “prisluškivanje”. • Također, mikrovalovi mogu nositi više informacija nego radio valovi. • Mana im je da ne mogu proći kroz neke vrste zapreka. Antene se zato moraju postaviti tako da među njima postoji “optička vidljivost”. • Primjena je u gradskim WAN-ovima, tamo gdje bi inače bilo skupo polaganje žica.

48. Infracrvene zrake • Elektromagnetski valovi iz infracrvenog (toplinskog) spektra, dakle iznad frekventnog raspona mikrovalova, a ispod raspona vidljive svjetlosti. • Podaci se prenose preko valova određene frekvencije. • Jeftino rješenje u odnosu na druge bežične medije jer ne zahtijeva antene. • Infracrvene zrake imaju mali domet, svega nekoliko metara. • Koriste se za bežično povezivanje uređaja unutar jedne sobe.

49. Laserske zrake • Podaci se pretvaraju u svjetlo, koji se umjesto optičkim vlaknima prenosi zrakom. • Koristi se lasersko svjetlo, zato jer ono ima relativno veliki domet i može se usmjeriti prema jednoj točki. • Primjena je ograničena zato jer laserske zrake ne mogu proći kroz vegetaciju, snijeg ili maglu. • Prijemnici i predajnici moraju opet biti postavljeni tako da među njima postoji “optička vidljivost”.

50. Usporedba raznih vrsta medija • Žičani mediji općenito ostvaruju veće propusnosti, bolje se mogu zaštititi od “prisluškivanja”, nisu osjetljivi na atmosferske prilike. • Bežični mediji općenito imaju manju cijenu uvođenja (osim kod satelita), nisu podložni oštećenjima medija, lakše ostvaruju “broadcast” iste poruke većem broju primatelja. • Kod svih vrsta medija moguće su greške ili gubici pri prijenosu podataka. • Za ožičenje LAN-a bakar je jeftinije rješenje, a staklo pouzdanije i s većim dometom.