Producentem prostego, udanego zintegrowanego i uniwersalnego regulatora krokowego TELEPERM 20S jest Siemens. Urzadzanie nalezy do trzeciej generacji rodziny Teleperm. Potezny Siemens jest niemieckim narodowym zintegrowanym pionowo i poziomo koncernem elektrotechnicznym i elektronicznym. Siemens jest wielkim eksporterem wysokiej technologii kraju ktory jest najwiekszym swiatowym eksporterem.
Siemens wytwarza absolutnie wszystko co jest zwiazane z elektrotechnika, elektronika, mikroelektronika i informatyka. Wytwarza wiec i buduje rozne elektrownie, linie metra i linie kolejowe, wszelkie maszyny i urzadzenia przemyslowe, wszelka elektronike profesjonalna w tym medyczna i powszechnego uzytku.
Siemens zatrudnia niemieckich naukowcow i politykow. Na przykladzie Siemensa widac do czego sluzy nauka przez duze N..
Niemcy sa najwiekszym eksporterem swiata a Siemens ich okretem flagowym. Skoro produkuje udane wyroby po konkurencyjnych cenach znajdujace nabywcow na calym swiecie warto z analizy jego produktow wyciagnac wnioski.
Integracja daje temu kolosowi ogromne korzysci.
Co ciekawe Siemens nie jest w stanie stawic czola amerykanskim i japonskim koncernom mikroelektronicznym.
Spotykany w bardzo udanych systemach Siemensa jego procesor SAB8085 jest Intelowskim licencyjnym procesorem 8085 Jak widac stosuje on madra dewize ze jesli nie mozesz z kims wygrac to sie do niego przylacz. Siemens produkuje takze Intelowskie procesory 8086, 8088,80186, 80286. Pierwsze uzywane sa w komputerach PC XT a drugie w PC AT.
Na procesorach SAB 8086, 8088, 80186 wykonano moduly regulatorow (ale takze sterownikow PLC) kasetowych systemow 215 i 217. Sa to wyrafinowane i kosztowne urzadzenia. Siemens nie jest w dodatku autorem projektu co jest sytuacja zupelnie wyjatkowa.
Tak naprawde Siemens wcale nie musialby produkowac procesorow, pamieci i peryferii bowiem sumaryczny koszt wszystkich tych elementow na tle kosztu gotowego urzadzenia profesjonalnego jest niewielki. Koszt ten nie przekracza 12-18% ceny urzadzenia a czesto stanowi pojedyncze procenty
Najdrozszy jest bowiem program i opracowanie urzadzenia.
Siemens nie jest raczej potentatem sprzedazy podzespolow ale gotowych urzadzen. Jest jednak samodzielny technologicznie. Elementy elektroniczne Simensa sa drogie a nawet bardzo drogie i dosc mierne, oczywiscie na miare swiatowych liderow.
Komputer PC XT mozna obecnie kupic na Tajwanie juz za 400 dolarow amerykanskich. Za komputer Siemensa zaplacimy blisko 1500 dolarow.
W kazdej chwili moze jednak Siemens dokonac zwrotu w kazdym porzadanym kierunku.
Nie podlega zadnemu santazowi ani naciskom. Porzadana suwerennosc technologiczna sporo dzis kosztuje ale jej utrata moze jutro kosztowac znacznie wiecej.
I choc Niemcy caly czas podlegaja kurateli politycznej USA to w dziedzinie gospodarczej USA sa juz dluznikiem Niemiec.
Potezny koncern Hewlett Packard produkuje tylko dla siebie unikalne elementy i bazuje na standartach przemyslowych. Tak samo moglby robic Siemens ale jak widac chodzi o samodzielnosc i pewnie upragniona suwerennosc.
W dziedzinie precyzyjnych elementow analogowych Siemens nie jest i raczej nie bedzie Analogiem Devices czy Burr Brownem, watpliwe aby dosiegnal Texas Instrument w perspektywicznym obszarze DSP. Siemens goruje jednak nad kazdym z tych koncernow wiedza i podejsciem calosciowym-systemowym.
Wzmacniacze operacyjne Siemensa sa miernej jakosci i zamiast nich mozna stosowac taniutkie elementy produkowane masowo. A jak dalej pokazano wcale w regulatorze nie sa potrzebne zadne cuda. Niektore podzespoly Siemesa sa nietypowe jednak nie ma istotnych problemow aby zastapic jest standardowymi. Pozwala to na pewna ochrone produktu przed nasladownictwem
Sukcesy polskiej mikroelektroniki zakonczyly sie w 1979 roku kiedy nasz dystans do swiatowej czolowki wynosil okolo 7-10 lat, byl wiec dosc maly. Sankcje gospodarcze nalozone na polske w 1981 roku i blokada ekonomiczno - technologiczna przekladaja sie na archaiczna baze polprzewodnikow produkowanych i dostepnych w polsce.
Prawdziwa potega w produkcji polprzewodnikow jest obecnie Japonia, ktora ma znacznie wieksza produkcje niz USA nie mowiac o krajach europejskich.
Japonia od poczatka lat osiemdziesiatych prowadzi na rynkach USA i Europy ogromna ofensywe eksportowa wypierajac z rynku ich rodzime produkty. Konkuruja cena i doskonala jakoscia towaru.
Mozna smialo powiedziec ze dzial elektroniki powszechnego uzytku zostal juz w USA i Europie zlikwidowany przez japonczykow. Potezna przemyslowa ofensywa Japoni kasujaca kolejne zaawansowane przemysly w USA i Europie budzi zlosc i z pewnoscia doczeka sie stosownej systemowej riposty ze strony strategow w USA., ktora zachamuje pedzaca gospodarke.
Japonczycy nastawiaja sie jednak na sprzedaz gotowych produktu a nie elementow elektronicznych. Mozna je jednak bez problemu kupic chocby poprzez Tajwanskiego posrednika. Stosunki gospodarcze RWPG z Japonia sa jednak bardzo ograniczone z uwagi na historycznie bardzo zle stosunki ZSRR z tym krajem. Tajwan zas oficjalnie nie istnieje na polskiej mapie dyplomatycznej.
Elementy japonskie ogolnego uzytku sa odpowiednikami typow zachodnich. Sa jednak takze udoskonalane i rozbudowywane przy zachowaniu zgodnosc w dol. Masowo produkowane elementy do elektroniki powszechnego uzytku sa projektami czysto japonskimi i cechuje je doskonala funkcjonalnosc. W szczegolnosci dotyczy to mikrokomputerow jednoukladowych.
Duza wartosc dodana w produktach jest bardzo porzadana. Jest kluczem sukcesow narodow. Duza wartosc dodana maja generalnie nowoczesne i poszukiwane produkty. Jednak w ich konstrukcji nalezy unikac stosowania drogich maloseryjnych podzespolow.
Ceny elementow elektronicznych sa w duzej mierze pochodna ich skali produkcji.
Duze sukcesy w elektronice profesjonalnej ma Szwecja a dokladniej jej ASEA i Erickson , ktore nie maja wlasnej fabryki polprzewodnikow.
Polska nie jest krajem o potencjale gospodarczym tak wielkim aby samodzielnie produkowac caly asortyment polprzewodnikow. Zreszta jak widac na przykladzie Szwecji nie trzeba ich wcale produkowac ale trzeba miec atrakcyjna oferte eksportowa aby dysponowac walutami na zakup polprzewodnikow.
Sa to jak juz powiedziano niewielkie kwoty, czesto rzedu 1% wartosci produktu.
Klopoty z elementami elektronicznymi a w zasadzie polprzewodnikami w Polsce wynikaja z niezwykle agresywnego obecnego etapu Zimnej Wojny.
Elementow maloseryjnych nalezy unikac jak ognia bowiem jednostka funkcjonalnosci jest w nich bardzo droga i silnie obniza wartosc dodana zamieniajac cale przedsiewziecie w nonsens ekonomiczny.
Precyzyjny wzmacniacz operacyjny Analog Devices czy Burr Brown bardzo ulatwia projekt ukladu jednak ich astronomiczna cena obraca taki projekt w zabojczy dla gospodarki narodowej absurd. Taki uklad potrafi kosztowac kilkadziesiat razy wiecej niz uklad standardowy, oczywiscie gorszy w konkretnym zastosowaniu ale nie gorszy w szerokim sensie ogolnym.
Kluczowym narzedziem w projektowaniu ukladow analogowych jest analiza wrazliwosci. Uklady i topologie wrazliwe omijamy duzym lukiem jako ze beda wymagac stosowania kosztownych elementow. Analize wrazliwosci stosujemy takze do topologii filtrow cyfrowych realizowanych z reguly programowo.
Na kolejnych stronach zalaczono kopie schematu blokowego oraz ideowego regulatora TELEPERM 20S wziete z dokumentacji. Poniewaz schemat nie zawiera wartosci elementow w tabeli zawarto wartosci zdjete z konkretnych egzemplarzy regulatorow ktorymi dysponowal autor. Uklady scalone maja tylko nic nie mowiace oznaczenia cyfrowe jednak mozna domyslec sie co to jest.
Jak widac ze schematow modulow wejsciowych regulator moze wspolpracowac z nastepujacymi sensorami:
-w opcji B10 z roznymi termoparami ( Fe-Const, NiCr-Ni, PtRh-Pt ) , rodzaj termopary czy szerzej sensora i jego zakres pomiarowy jest oznaczony przedostatnimi ( bez ostatniej ) czterema cyframi w kodzie typu
-w opcji B11 kazdym sensorem pracujacym w petli pradowej 0/20mA.
Najczesciej jest to czujnik cisnienia (z popularna rurka Bourdona i transformatorem LVDT) lub przeplywu ale repertuar sensorow jest bardzo duzy
-W opcji B12 z regulacja stosunku z dwoma pracujacymi sensorami / zadajnikami do petli
pradowej. Czulosc "ujemnego" sensora jest skalowana. Moze zatem sluzyc do regulacji stosunku.
-W opcji B13 z potencjometrem lub zmiennym rezystorem jako sensorem
-W opcji B14 z RTD czyli dwu lub trojprzewodowym ( ustalane jumperami ) termometrem rezystancyjnym typu PT100. W temperaturze pokojowej przez sensor plynie prad 2.6 mA dajac zapewne nieprzypadkowo czulosc napieciowa sensora rowna 1mV/C. Zdaniem autora jest to optymalna wielkosc pradu do zastosowan przemyslowych.
Kazdy modul wejsciowy daje na wyjsciu (zlacze 2) sygnal bledu.
Tylko w module wspolpracujacym z termopara uzyto popularnego (jest dosc stary , pojawil sie w sprzedazy w 1968 roku) wzmacniacza precyzyjnego typu LM725 majacego drugich producentow, w tym takze Ceschoslowacka Tesle. Z doswiadczen autora wynika ze dobre rezultaty uzyskuje sie rowniez ze wzmacniaczami uA709 i czeskim MAA502. W pozostalych miejscach zastosowano wzmacniacze o standardowych parametrach
Ujemne napiecie zasilajace ten wzmacniacz LM725 jest zmniejszone i stabilizowane dioda Zenera V1.
Jak wiadomo dryft cieplny wzmacniacza operacyjnego glownie bierze sie z traconej w nim mocy doprowadzonej z zasilacza a dopiero na drugim miejscu generowany jest na skutek zmian temperatury otoczenia i pradow powietrza.
Modul do wspolpracy z termopara ma miedziany rezystor R19 uzyty jako sensor temperatury. Uzyto tu rozwiazania bez drugiej antyszeregowo wlaczonej termpary zimnego konca a mierzona jest temperatura styku metali termopary z "miedzia" regulatora. Rozwiazanie to jest coraz szerzej stosowane. Przez termopare plynie maly prad monitorujacy jej sprawnosc wyznaczony rezystorem R2 po warunkiem ze istnieje jumper X5-X6. Jesli termopara ma przerwe jest to symulowane jako najwyzsza temperatura. Nie przewidziano linearyzacji termopar.
Malymi napieciami zasilajacymi mozna ogromnie zmniejszyc pobor mocy i dryfty cieplne jednak zakres napiec wyjsciowych jest wtedy bardzo maly.
Niektorzy producenci w interfejsach do wspolpracy z roznymi sensorami stosuja ta sama plyte drukowana tylko zmieniajac obsade i wartosci elementow. Plyta taka musi byc zaprojektowana pod super-zbior, superset elementow wystepujacych we wszystkich wersjach schematu dla sensorow.
Wreszcie spotyka sie modul gdzie zmienia sie ustawienia jumperow i przelacznikow uzyskujac wspolprace w konkretnym sensorem. Zakres pomiaru czyli wzmocnienie i offset moze tez byc zmieniany programowo aby dopasowac sie do roznych sensorow. Liczba kombinacji przekracza 20 i stad do obslugi tej funkcji trzeba przeznaczyc az 5 bitow portu rownoleglego procesora i spora liczbe rezystorow i przelacznikow CMOS, Fetow czy tranzystorow bipolarnych i superminiaturowych przekaznikow tam gdzie wymagana jest bardza mala opornosc przelacznika. Przekazniki sa drogie i maja slaby parametr MTBF. Klucze wnosza pewne nieporzadane bledy. Komplikacja jest spora i nie jest to w obecnym stanie technologi rozwiazanie racjonalne. Bardzo powaznym problemem jest zabezpieczenie delikatnych wejsc ukladow mikroelektronicznych przed bledami w okablowaniu i jego uszkodzeniami. Stosujemy do ochrony diody , diody zenera oraz bezpieczniki. Oczywiscie bezpiecznik stanowa tylko pierwsza linie obrony i chroni glownie przed pozarem. Wiele rozwiazan elastycznych wejsc jest chronionych patentami.
Napiecia +15 i -15V zasilaja wzmacniacze operacyjne a roznicowo zasilaja poprzez zalaczane tranzystory bipolarne NPN przekazniki zalaczajace z kolei elektroserwomechanizm.
Napiecia 10V i 6.8V pochodza z taniego i popularnego stabilizatora uA723 majacego mnostwo drugich producentow. Regulator zasila transformatorek sieciowy o mocy okolo 3W. Transformatorki malych mocy maja bardzo duze napiecie zwarcia siegajace 50-60%. Mozliwe jest wiec uzycie z takim transformatorkiem za prostownikem z obciazeniem pojemnosciowym quasi stabilizatora rownoleglego a bardziej ogranicznika napiecia w sytuacji kiedy nie jest zalaczony zaden przekaznik obciazajacy zasilanie. W stabilizatorze rownoleglym uzyto diody Zenera malej mocy V24 sterujacej tranzystor V24 malej - sredniej mocy, ktorego uzycie jest mozliwe dzieki temu ze moc strat wydziela sie glownie w umieszczonym w kolektorze R56. W sumie wiec koszt elementow tego stabilizatora jest bardzo maly., wrecz znikomy. Ani uszkodzenie rezystora R56 ani tranzystora V24 ani diody Zenera (tylko na rozwarcie, ktore przy przeciazeniu jest regula) nie powoduje katastrofalnego uszkodzenia regulatora ktory pracuje dalej ale odrobine mniej dokladnie i przy zbyt wysokich napieciach zasilajacych zbyt mocno stesowane sa elementy.. Mozna wiec mowic o pewnej odmianie redundacji.
Wychodzacy z modulow wejsciowych sygnal bledu jest podany do ukladu sygnalizujacego wielkosc sygnalu bledu diodami LED oraz poprzez potencjometr oznaczony A jest podany do regulatora krokowego. Vizualny monitor aktualnej wielkosci bledu regulacji z diodami LED jest duzym ulatwieniem eksploatacyjnym ale ma sens tylko wtedy gdy system ma nadzor ludzki.
Sygnal bledu wzmocniony wzmacniaczem A1 poprzez rezystor R5 steruje para antyrownolegle polaczonych diod sygnalizacyjnych LED V5 i V6. Jesli wiec blad przekracza 5% skali plytki sensora wejsciowego to zapali sie jedna z diod V5 lub V6. Zadajnik ma zawsze skale 0-100% Wieksze napiecie bledu odpowiadajace 10% skali spowoduje dodatkowe zalaczenie - zapalenie diod LED V3 lub V9 poprzez szeregowo polaczone diody V1 i V2 lub V7 i V8.
Zastosowano regulator PI z odtwarzaniem zmiennej stanu polozenia organu wykonawczego.
Centralnym systemem regulatora krokowego jest oczywiscie przekaznik trojpolozeniowy skladajacy sie z dwoch przerzutnikow z histereza do ktorego podany jest sygnal sterujacy z wyjscia wzmacniacza A2. Wykonano go na wzmacniaczach operacyjnych z ukladu scalonego A3. Sygnal podano na wejscie dodatnie gornego wzmacniacza i ujemne dolnego. Kazdy wzmacniacz - przerzutnik ma dodatnie sprzezenie zwrotne z wyjscia odpowiednio rezystorami R39 i R41 Strefe nieczulosci daja w gornym przerzutniku rezystory R30 i R28 a w dolnym R31 i R32.
Przerzutniki tworzace przekaznik trojpolozeniowy steruja tranzystorami V20 i V21 a te przekaznikami wyjsciowymi K1 i K2. Tranzystory dezaktuwujemy przelacznikiem S1 przechodac na sterowanie manulane poprzez odlaczenie od zasilania ich emiterow. Wowczas przelacznikiem T1 aktywujemy manulanie jeden z przekaznikow K1 lub K2.
W regulatorze zastosowano „integrator” nieodwracajacy wykonany na podwojnym tranzystorze JFET V10.
Integrator jest bardzo klopotliwym elementem kazdego regulatora PI czy PID, takze w realizacji programowej. Wzmacniacze JFET maja az do temperatur rzedu 100C znacznie nizsze prady wejsciowe niz wzmacniacze bipolarne i dlatego sa chetnie uzywane do realizacji integratorow.
Podwojny tranzystor V1o tworzy precyzyjny wtornik napieciowy . Warto zauwazyc ze przy identycznosci obu tranzytorow i lewym skrajnym polozeniu suwaka potencjometru R27 na wyjsciu nieobciazonego wtornika otrzymamy dokladnie to samo napiecie co na wejsciu. Dryft cieplny jest zatem nieomal wyeliminowany. Tylko przy identycznosci tranzystorow. Potencjometr R27 sluzy do regulacji zera wtornika. Regulacja zera jest asymetryczna a tranzytory V10 sa prawdopodobnie selekcjonowane i stosowane sa tylko egzemplarze o pozadanej asymetrii.
Kondensator C5 jest elementem stalej czasowej „integratora”
Sygnal z przerzutnika trojpolozeniowego do integratora jest podawany przez zalaczony jeden z tranzytorow z podwojnego Feta V13. Tranzytory sa zalaczone zerowym potencjalem na bramce (w stosunku do zrodla) poprzez rezystory R43 i R42 a wylaczane potencjalem ujemnym podawanym poprzez diody V14, V15 z wyjsc przerzutnikow.
Zalaczony przekaznikiem trojpolozeniowym gorny Fet podaje napiecie +6.8V a dolny fet napiecie –6.8V (lokalnie stabilizowane dioda zenera V17) do rezystora R38 skladajacego sie na stala czasowa „integratora”. Jak widac nie jest to integrator ale inercja w fazie zalaczenia przekaznika trojpolozeniowego i pamiec (czyli integrator) w fazie nieaktywnej przerzutnika. Zastosowanie inercji zamiast inegratora daje nieporzadana , nieliniowa odpowiedz regulatora jednak nie jest to powazna wada bowiem realizacja funkcji calkowania I i tak daje inercje zamiast calkowania i zminimalizowana dododatkowo tym ze w fazie nieaktywnej przekaznika jest to jednak integrator.
Rezystory R16 i R17 realizuja funkcje I regulatora PI a stala czasowa calkowania jest regulowana potencjometrem R19. W gornym polozeniu potencjometru stala czasowa calkowania jest maksymalna.
Wyjscie z „integratora” jest poprzez potencjometr zakresu proporcjonalnosci Kp podane do wewnetrznego odwracajacego wzmacniacza bledu zrealizowanego na wzmacniaczu A2. Zakres proporcjonalnosci jest normalnie odwrotnoscia wzmocnienia regulatora. Do drugiego wejscia podano regulowany potencjometrem A sygnal bledu z modulu wejsciowego.
W jaki celu zastosowano regulacje wzmocnienia A i pozornie identyczna regulacje zakresu proporcjonalnosci Kp. Otoz w regulatorze krokowym najlepsze z punktu widzenia problemow z nasycaniem sie integratora rezultaty otrzymujemy kiedy intergrator regulatora nasyca sie wtedy kiedy krancowe polozenia osiaga serwomechanizm wykonwczy.
W omawianym regulatorze „integrator” niejako nasyca sie stopniowo. Zatem Kp wybierzemy tak aby przy coraz wiekszej roznicy miedzy idealnym calkowaniem a faktyczna inercja zadzialaly nam przelaczniki krancowe serwomechanizmu. Z kolei potencjometrem wzmocnienia A ustawiamy wzmocnienie petli optymalizujace jej dynamike.
Opcjonalnie, szeregowo polaczone normalnie zalaczone wylaczniki krancowe serowomechanizmu mozemy dolaczyc do zlacz 14 i 15. Rozlaczenie kazdej krancowki powoduje podanie na bramki podwojengo Feta V13 ujemnego napiecia poprzez diody V18 i V16 i rezystor R49 i przerwanie integracji sygnalu z przekaznika trojpolozeniowego.
Regulator ma jeszcze miernik magnetoelektryczny pokazujacy polozenie opcjonalnego potencjometru serwomechanizmu. Potencjometry R51 oraz R54 sluza odpowiednio do regulacji offsetu i wzmocnienia tego ukladu pomiarowego. Potencjometr serwomechanizmu jest dolaczony do zlacz 7,3 i 4. Awaria potencjometru serwomechanizmu nie przerywa poprawnego dzialania sytemu regulacji a tylko uniemozliwia odczyt polozenia organu wykonawczego.
Typowe tranzystory JFET sa obecnie 2-8 razy drozsze niz masowo produkowane tranzystory bipolarne. Kolejny nietypowy element to takze wyzwanie logistyczne. Natomiast podwojny tranzystor FET jest elementem bardzo drogim, znacznie drozszym niz wzmacniacz JFET i obecnie jest juz nieracjonalnym przezytkiem.
Podwojny tranzystor FET V13 mozna zastapic dwoma niezaleznymi tranzystorami. Nie jest to latwo mozliwe (konieczna jest selekcja traznzystorow i ich sprzezenie cieplne) w wypadku podwojnego FETa V10.
Przekaznik trojpolozeniowy najczesciej jest wykonywany na dwoch wzmacniaczach operacyjnych lub komparatorach. Nie jest to jednak rozwiazanie pozbawione wielu wad. Obciazalnosc wyjsc wzmacniaczy jest zby mala aby uruchomic przekaznik. Sa takze zbyt delikatne aby bez buforowania mozna je bylo wyprowadzic na zewnatrz.
Podstawowa wada przekaznika trojpolozeniowego skladajacego sie z dwoch niezaleznych przerzutnikow to potencjalna zakloceniowa, katastrofalna mozliwosc zaistnienia aktywnego stanu obu przerzutnikow.
Przekaznik K2 ma styk przelaczny. Jego styk normalnie zalaczony jest wlaczony w szereg ze stykiem przekaznika K1. Ma to uniemozliwic jednoczesne wysterowanie obu faz silnika serowmechanizmu i jego uszkodzenie oraz uszkodzenie stykow przekaznika rozladowujacym sie kondensatorem silnika.
Regulator nie posiada szeregowych obwodow RC tak zwanych gasikow do ochrony stykow przekaznikow co jest spora wada. Nalezy je dolaczyc na zewnatrz regulatora. Tak naprawde to wiekszy silnik nalezy sterowac poprzez wspomniane wczesniej laczniki tyrystorowe Siemensa lub dodatkowe przekazniki. W kazdym regulatorze krokowym obciazone przekazniki sa pieta achillesowa i ulegaja bardzo czestym awariom.
Kazde urzadzenie koncernu Siemens ma rozne dziwactwa co moze tez podkreslac absolutna samodzielnosc intelektualna jego inzynierow i potege niemieckiej mysli naukowo - technicznej w kazdym obszarze.
Ładne omówienie. Zupełnie jasne ale troche stare
OdpowiedzUsuńWitam To jest przecież archiwum ale mało się zestarzało
Usuń