Archiwum. Centrala

Archiwum. Centrala

  Cywilizowany świat wydaje się wkraczać w erę Informacji. Dobra informacja potrzebna jest wszędzie dla każdej istotnej decyzji. Informacja zawarta jest m.in. w dźwięku i obrazie oraz w plikach komputerowych

Lokalne telefoniczne centrale automatyczne pracują od początku wieku. Ruch dalekosiężny w USA zautomatyzowano po 1955 roku ( co wymagało wprowadzenia ogólnokrajowego systemu numerów ) a w świecie znacznie później.

Matryce pola komutacyjnego w centralach telefonicznych nie są pełne i występuje w nich zjawisko blokady.

Duński matematyk Agner Erlang realizując zlecenie firmy telefonicznej stworzył inżynierie ruchu i teorie kolejkowania zwane też czasem teorią obsługi masowej.

Wpierw (1909) udowodnił że rozkład Poissona ma zastosowanie do przypadkowego ruchu telefonicznego.

Następnie (1917) stworzył teorię i wzór pokazujący straty ruchu i czas oczekiwania na obsługę

W pracy z 1920 roku podał czas oczekiwania w obsłudze masowej.

Kolejne nazwiska w teorii ruchu to już pracownicy Bell Laboratories. Użytek ze stworzonych teorii jest niewielki i przykładowo w obszernych artykułach w BSTJ poświęconych wydajności systemu ESS No1 przytoczono wyniki symulacji komputerowych bowiem teoria jest całkowicie bezsilna. Wymyślone algorytmy zestawiania połączeń w polach komutacyjnych porównuje i testuje się w symulacjach komputerowych.

Wpływ pionierskich prac Bell Laboratories jest ogromny. Projektanci różnych systemów w świecie często nawet zachowywali oryginalne nazewnictwo stosowano w projektach Bella aby zorientowany czytelnik mógł sięgnąć po BSTJ i doczytać tam wszelkie teoretyczne niuanse i szczegóły i dowiedzieć się dlaczego zrobiono akurat tak a nie inaczej. Na przykład pole komutacyjne w koncentratorze centrali E-10 ma sekcje A,B,C tak identycznie jak ESS No1.

AT&T ma w telekomunikacji w USA pozycję nieomal monopolistyczną. Badaniami i Rozwojem zajmuje się Bell Laboratories, produkcją sprzętu telekomunikacyjnego potężny Western Electric a operatorem systemu telekomunikacji jest Bell System. AT&T jest czapką ( finanse, inwestycje, polityka ) potężnego koncernu zatrudniającego milion ludzi.

Bell Laboratories zatrudnia prawie piętnaście tysięcy osób. Tysiąc dwustu pracowników ma doktoraty a trzynastu zostało Noblistami. Możliwe ze więcej nagród Nobla nie przyznano ze względów politycznych.

Jest to niesamowicie innowacyjna i produktywna fabryka pomysłów i sposobów ich wykorzystania. Jest to najsilniejsza „instytucja” badawcza świata.

Tranzystor bipolarny (1948) i Mosfet (1959) to oczywiście dzieło Bella, który od lat poszukiwał alternatywy dla lampy elektronowej. Prawdopodobnie są to wynalazki wszechczasów.

Wielu pracowników Bella to emigranci, którzy dopiero tam ujawnili swój potężny potencjał myśli. W Związku Radzieckim i w Polsce obowiązuje cenzura nazwisk emigrantów. Na przykład nie podaje się w literaturze pierwotnego źródła jak genialnego Siergieja Shelkunoffa z BL a źródła wtórne.

„Straty ruchu” są pojęciem względnym jako że przecież w sytuacji zajętości abonenta lub centrali ( czyli blokady pola komutacyjnego ) za jakiś czas dzwonimy powtórnie. Nowoczesne centrale mają zresztą stosowne usługi do automatyzacji połączenia gdy abonent stanie się wolny.

Nowoczesne telefony mają pamięć numeru a nawet wielu numerów. Powtórzenie wybrania ostatniego numeru jest bardzo łatwe.

1.Słowo "relay" na określenie przekaźnika elektromagnetycznego w USA pojawia się około roku 1860. Nie wiadomo kto pierwszy wynalazł przekaźnik. Amerykański naukowiec Joseph Henry ulepszając elektryczny telegraf wynaleziony w 1831 roku, przekaźnik wynalazł w 1835 roku. W tym samym roku angielski wynalazca Edward Davy również zastosował przekaźnik w elektrycznym telegrafie. Patent Samuela Morse z 1840 roku zawiera przekaźnik jako repeater sygnału cyfrowego przesyłanego linią telegraficzną ( jednoprzewodową a drugi „przewód” stanowiła Ziemia do czasu pojawienia się elektrycznego tramwaju ) na duże odległości.

N.B Telegraf rodził się w czasie gdy w zaborze rosyjskim wybuchło inspirowane zewnętrznie powstanie listopadowe.

Obecnie jedynym wyłącznikiem wielkiej mocy nie mającym półprzewodnikowej alternatywy są wyłączniki energetyczne Circuit Breaker czyli CB.

-Zaletą przekaźników jest izolacja styków od wzbudzenia i jałowy brak napięć i prądów na przełączniku jakim jest styk, który może być włączony gdziekolwiek w systemie.

-Przekaźnik jest okropnie powolny jako element logiczny przetwarzający informacje na tle scalonych bramek. Najszybsze bramki wewnętrzne „ECL” na przykład w preskalerach na najwyższe częstotliwości maja czas propagacji mniejszy od 0.2 ns. Toteż nigdy nie powstał użyteczny komputer na przekaźnikach.

-W koncentratorach telefonii PCM duża matryca przekaźników kontaktronowych jest zastępowana scalonymi multiplekserami i matrycami przełączników CMOS.

-Elektromechaniczne wibratory – modulatory stosowano w lampowych wzmacniaczach operacyjnych z przetwarzaniem sygnału wynalezionych przez Goldmana w 1949 roku. Odeszły do lamusa a idea przetwarzania sygnału została zastąpiona lepszym autorównoważeniem wzmacniaczy operacyjnych w technologii mieszanej analogowo – cyfrowej CMOS.

-Przekaźnik sterowany dekoderem - odbiornikiem sygnału pilota odbiornika telewizyjnego TVC podaje napięcie sieciowe zasilającej przetwornicy mocy załączając odbiornik do pracy ze stanu oczekiwanie Stand-by. Przekaźnik ma dużą chwilową przeciążalność i toleruje prąd lądowania kondensatora prostownika ponad 100 A.

Ale dwie diody w sieciowym mostku prostowniczym mogą być zastąpione tyrystorami sterowanymi przez transoptor.

Przetwornica może być też blokowana przez izolujący transoptor. Może być też zoptymalizowana tak aby w modzie Stand-by zasilając tylko odbiornik zdalnego sterowania pobierała mało mocy. Za pewnik można uznać ze w tym zastosowani przekaźnik zostanie porzucony.

-Specjalne przekaźniki do przełączania sygnałów w obwodach o rezystancji falowej 50 / 75 Ohm mają bardzo mały współczynnik odbicia. Są one wypierane przez diody PIN. Diody PIN stosowane w antenie nieruchomego płaskiego radaru fazowego gdzie załączane sygnałem logicznym kształtują charakterystykę przestrzenna anteny załączając wybrane fragmenty anteny. Proces jest bardzo szybki i skanowanie jest wydajne.

-Przekaźniki mogą też tworzyć multiplexer sygnałów dla przyrządów pomiarowych ale w tym zastosowaniu lepsze będą układy CMOS

-Przekaźniki ze zwilżonym rtęcią stykiem używane są do załączania znacznych napięć w testerach odporności na załączanie dynamiczne tyrystorów dU/dt. Są łatwe do zastąpienia przez tyrystory i tranzystory wysokonapięciowe.

-Przekaźniki na wyjściach sterowników logicznych PLC są zastępowane tranzystorami i triakami.

2.Żelazny obwód magnetyczny niewielkiego przekaźnika jest lity. Najczęściej wykrawany i kształtowany jest z odpowiedniej grubości i rodzaju blachy stalowej. Może też być częściowo wykonany z kształtowanego drutu. Uzwojenie przekaźnika wykonane jest emaliowanym drutem miedzianym. Dawniej karkas uzwojenia wykrawano z preszpanu a później "wtryskiwano" z plastiku. Kluczowe technologie do produkcji przekaźnika wynaleziono i przemysłowo zastosowano już w drugiej połowie XIX wieku ale przekaźniki elektromagnetyczne są cały czas powolutku doskonalone podobnie jak ich masowa produkcja. Nowoczesne, masowo produkowane miniaturowe przekaźniki na prąd przełączany <=10Aac są często chronione plastikową obudową. Może być ona przezroczysta. Chociaż nie jest ona hermetyczna to zapobiega zabrudzeniu przekaźnika czynnikami z otoczenia. Przekaźnik może mieć prosty mechaniczny wskaźnik stanu wzbudzenia i dźwigienkę do wymuszenia stanu.

Światowymi pionierami w dziedzinie masowej, standardowej produkcji maszyn elektrycznych są gigantyczne koncerny General Electric ( założony przez genialnego wynalazce Thomasa Edisona ) i Westinghouse czyli wielkiego przedsiębiorcę i wynalazcę. Po mechanizacji pierwsze kroki w automatyzacji masowej produkcji maszyn elektrycznych podjęto tam już w latach trzydziestych.

Produkcyjnym ramieniem quasi - monopolistycznego molocha telekomunikacyjnego AT&T jest koncern Western Electric z ponad 20 dużymi fabrykami na całym terenie USA. Produkował on w dużej ilości przekaźniki do swoich central telefonicznych a także wybieraki telefoniczne. Przekaźnik do centrali z wybierakami krzyżowymi z 1947 roku miał 30 styków przełącznych co jest raczej światowym rekordem. Zastosowano w nim na obu krańcach konstrukcji dwie szeregowo połączone cewki elektromagnesów dla zachowania sztywności systemu styków i stabilności mechanicznej całości.

Przy masowej produkcji maszyn elektrycznych silny jest efekt skali pozwalający mocno obniżyć ( zastosowaniem mechanizacji i automatyzacji produkcji ) koszt produkcji i utrzymywać jej wysoką jakość.

Jakość każdej maszyny elektrycznej ma swoją cenę:

-Droższy jest staranie przetestowany lepszy projekt

-Droższe są dobrej jakości materiały

-Droższe są nowocześniejsze maszyny i narzędzia obróbcze dla nich o których stan trzeba dbać

-Bardziej skomplikowany jest proces produkcyjny

-Więcej trzeba płacić wykwalifikowanym i doświadczonym pracownikom

Lepszej jakości produkt pozwala jednak mocno oszczędzić na kosztach uruchomienia, napraw i utrzymania urządzeń stosujących produkt.

Koncerny oferują także niezbędne akcesoria czyli podstawki pod przekaźniki oraz listwy na przekaźniki, do zamocowania w standardowej szafce sterującej.

Trwałość elektryczna mocno obciążonego styku przekaźnika jest bardzo mała na tle trwałości mechanicznej przekaźnika. Tam gdzie przełączanie prądu zmiennego jest częste na przykład przy sterowaniu serwo silników asynchronicznych przez regulatory krokowe PI / PID koncerny stosują wykonawcze triaki a dla większych mocy antyrównolegle tyrystory zamiast przekaźników i styczników.

Wadą triaków jest większy spadek napięcia niż na styku przekaźnika. Z tego względu lepsze jest europejskie napięcie sieciowe 220Vac niż amerykańskie 115Vac jako że spadek napięcia na triakach do obu systemów jest zbliżony. Parametry triaków ciągle się poprawiają i możliwe że niedługo będzie można zrezygnować z szeregowego dwójnika RC czyli gasika. Natomiast przekaźnikom zawsze muszą towarzyszyć gasiki a kondensator gasika na napięcie sieciowe nie jest tani. Załączane w zerze triaki emitują bardzo małe zakłócenia co jest dużą zaletą tego rozwiązania.

Mankamentem triaków jako wyjścia PLC jest konieczność użycia transoptorów do izolacji sygnału ale układ z pomocniczym zasilaczem dla 8-16 wyjść triakowych nie jest drogi.

Triaki z algorytmem sterowania grupowego dają pseudo ciągłe wyjście dla grzałek a zbędne są uciążliwe i drogie filtry przeciwzakłóceniowe konieczne przy sterowaniu fazowym.

Polska jest dość dużym światowym producentem miedzi. Nieporozumieniem jest tani eksport miedzi jako surowca a nie drogich, gotowych wyrobów elektrotechnicznych z niej wytworzonych. Stal na obwód magnetyczny przekaźników mamy. Granulat plastiku do wytworzenia detali przekaźnika jest dość tani. Srebro ( także uboczne złoto na powleczenie styków przekaźników sygnałowych ) jest produktem ubocznym przy produkcji miedzi i Polska jest także dużym producentem. Kadmu również nam nie brakuje aby wytworzyć nowoczesny materiał AgCdO na styki przekaźników. AgCdO jest materiałem stosunkowo nowym i bardzo szybko zyskał popularność bowiem na to zasługuje. Wniosek z tego taki że powinniśmy eksportować towary przemysłu elektromaszynowego a w tym wszelkie przekaźniki od najmniejszych po największe wyłączniki CB.

Trzeba stosować się do panujących na rynku światowym standardów bowiem niezgodnego ze standardem dziwactwa nikt nie kupi.

Za ubiegłą dekadę produkcja mocno zmodernizowanego za dolarowe kredyty przemysłu elektromaszynowego wzrosłą do 240%. Jest to jak najbardziej właściwy kierunek modernizacji.

Obowiązuje generalna zasada że im bardziej skomplikowany i nowoczesny jest produkt tym większa jest marża producenta ponieważ mniejsza jest konkurencja.

Polskie silniki elektryczne i transformatory są gorsze od zachodnich głównie z powodu małej produkcji niskostratnej elektrotechnicznej blachy zimnowalcowanej. Na straty w obwodzie magnetycznym silników ma także wpływ staranne wykrawanie na prasach blach nowoczesnymi narzędziami.

Jakość stali z polskich hut jest niska ( jest to przestarzała technologia z ZSRR a pierwotnie z przedwojennych USA ) co szkodzi całej gospodarce. Makabrycznie rdzewieją samochody wyprodukowane ze słabej blachy. I Tak Dalej.

3.Czas zadziałanie i odpuszczenia przekaźnika wzbudzonego prądem zmiennym zależy do kąta fazowego napięcia przy jakim dokonana jest operacja. Operacja przekaźnika wzbudzonego prądem stałym jest bardziej powtarzalna i przewidywalna.

Przekaźnik prąd zmienny rozłącza stykami dopiero po przejściu prądu przez zero. Przez małą chwilę na rozłączanych stykach przekaźnika trwa niszczące styki wyładowanie. Przy pełnym nominalnym wyłączanym prądzie trwałość elektryczna przekaźnika może być tysiące razy mniejsza niż jego trwałość mechaniczna. Dobrze łuk tłumią stopy z użyciem m.in. srebra Ag. Najmniejsze szumy w sygnale wnoszą styki złocone w hermetycznych przekaźnikach kontaktronowych ale mają one znikomą zdolność rozłączania mocy i momentalnie ulegają zniszczeniu ( będą szumieć i trzeszczeć tak jak zwykłe styki ) przy rozłączeniu dużego prądu. Toteż w centralach Bella ESS No 1 i pochodnych podwójne przekaźniki kontaktronowe w polach komutacyjnych o złoconych stykach nigdy nie przełączają żadnego prądu ( jest on wcześniej rozłączony ) i są przełączne tylko w stanie bezprądowym co gwarantuje wielką trwałość centrali.

W licencyjnych centralach elektronicznych E-10 PCM30 zastosowano w przestrzennym polu komutacyjnym koncentratora potrójne kontaktrony o wymiarach 30 x 16.5 x 10.5 mm. Ich nominalna moc wzbudzenia wynosi 450 mW a czas zadziałania 1 ms. Ich zdolność rozłączania wynosi jedynie 4 W przy obciążeniu rezystancyjnym. Drugi rodzaj czułych kontaktronów wymaga tylko 60 mW mocy wzbudzenia ( 4V - 15 mA ) i są one wprost sterowane z układów TTL. Zastosowano także niewielkie przekaźniki liniowe w obudowach plastikowych. Dopuszczalny prąd ich zestyków wynosi 1 A.

Zdolność rozłączania przez przekaźnik obwodu prądu stałego jest znikoma. Przekaźnik na nominalnie 10 Aac - 220 Vac zdolny jest rozłączać prąd stały jedynie 50-100 mAdc - 250 Vdc. Samochodowy przekaźnik do instalacji 12V ma małą trwałość styków użyty w instalacji samochodowej 24 V i to mimo poprawnego wzbudzenia cewki napięciem 12V. Stosuje się specjalne konstrukcje dla gaszenia łuku w szybkich wyłącznikach mocy prądu stałego stosowanych na przykład w kolejowej trakcji prądu stałego. W wyłącznikach mocy prądu zmiennego ( Circuit Breaker ) prąd finalnie rozłącza "opalany" łukiem styk w komorze gaszeniowej z magnetycznym wypychaniem łuku a w stanie załączonym prąd płynie głównymi stykami rozłączonymi krótko (milisekundy ) przed rozłączaniem styków "opalanych"

Trwałość styków często operujących przekaźników w automatycznych regulatorach krokowych może być mniejsza niż załączanego przez nie wykonawczego silnika asynchronicznego serwomechanizmu. Z tego powodu triaki i tyrystory wypierają w tym zastosowaniu przekaźniki.

4.Najmniejsze miniaturowe przekaźniki o jednym styku produkowane są w metalowej, hermetycznej tranzystorowej obudowie TO-39. Stosowane są tylko w ekskluzywnych branżach - lotnictwie wojskowym i satelitach. W ich produkcji zastosowanie ma już mini - mechanika. Niewielkie są też niektóre przekaźniki kontaktronowe. Mogą mieć one styk zwilżony rtęcią. Przekaźnik dla prądów sieciowych większych od 10-16 A nazywa się stycznikiem ( ang. contactor ). Stycznik ma z reguły łatwo wymienne styki mocy i pomocniczy zespół styków "sygnałowych" do realizacji funkcji logicznych w kontrolerze. Jego mankamentem jest energożerność bowiem musi być przy załączeniu cały czas wzbudzony. Najlepszym i niedrogim materiałem na styki przekaźnika mocy jest AgCdO,produkowany metoda spiekania proszków. AgCdO jest dość trwały przy załączaniu silników indukcyjnych. AgCdO nie ma skłonności do zespawania się styków, ma małą erozje i migracje materiału. Pamiętać należy że Kadm jest toksycznym metalem ciężkim.

5."Zwykły" przekaźnik działa z opóźnieniem gdy jest wzbudzony cewką i odpuszcza z opóźnieniem po zdjęciu napięcia wzbudzenia. Ma dużą histerezę i działa z opóźnieniami. Przekaźnik bistabilny z polaryzującym magnesem lub mechanicznym przerzutnikiem RS może mieć dwa lub jedno uzwojenie. Dwuuzwojeniowy przekaźnik bistabilny może być użyty w asynchronicznym układzie sekwencyjnym jako przerzutnik RS z dwoma wejściami. Do jednego uzwojenia podaje się ( może być chwilowe ) wzbudzenie o znaku napięcia pożądanej akcji to jest włączenia lub wyłączenia. Do jego sterowania potrzebny jest zatem skomplikowany tranzystorowy mostek H. Gdy przekaźnik ma dwa uzwojenia jedno służy do włączenia a drugie wyłączenia. Sterowanie jego jest proste. Przekaźnik ma zatem pamięć stanu i to nieulotną. Jego zaletą jest energooszczędność bowiem sterowany jest tylko dynamicznie a statyczne podtrzymanie jest zbędne ! Często w ramach jednej rodziny przekaźników są produkowane przekaźniki zwykłe i bistabilne. Przekaźnik bistabilny jest droższy, wolniejszy i często załącza z odbiciem styków w przeciwieństwie do czystej akcji zwykłego przekaźnika. Ma więc też wady. Uzwojenia przekaźników bistabilnych można zorganizować w matryce podobnie jak rdzeniki ferrytowe w komputerowej pamięci ferrytowej i w matrycy komutacyjnej centrali telefonicznej.

Część przekaźników może być wzbudzana napięciem stałym DC lub zmiennym AC. Wymagane napięcie zmienne i moc wzbudzenia są większe niż dla prądu stałego.

W wyłączniku mocy CB energia mechaniczna do akcji załączania / wyłączania zmagazynowana jest w napinanych silnych sprężynach. Aby CB zadziałał musi być uzbrojony - per analogia do przeładowania pistoletu i karabinu. Sprężyny mogą być naciągnięte ręcznie przez operatora lub powoli ( nawet ponad 30 s ) małym silnikiem przez przekładnie lub momentalnie bardzo silnym elektromagnesem zasilanym z trójfazowego diodowego mostka prostowniczego dołączonego do sieci trójfazowej. Elektromagnes ten po akcji napięcia sprężyny musi być momentalnie odłączony od zasilania bowiem zaczął by płonąć. Uzbrojony CB można załączyć / wyłączyć mechanicznym przyciskiem ( jak cyngiel w pistolecie lub karabinie ) lub zdalnie ( lub lokalnie przyciskami elektrycznymi ) małymi elektromagnesami. CB na takiej samej zasadzie ( elektromagnes i termik ) jak domowy instalacyjny bezpiecznik automatyczny sam rozłączy obwód przy zwarciu. CB ma też użyteczne pomocnicze styki "sygnałowe". Każda wysokoprądowa akcja CB ma konkretny koszt i zwłoka spowodowana napinaniem sprężyny przez silnik jest raczej zaletą niż wadą. Prąd przy załączaniu przez CB prawidłowo zsynchronizowanego z siecią generatora synchronicznego jest niewielki a przed wyłączeniem generatora stopniowo zmniejsza się moc turbiny elektrowni prawie do zera i zeruje wytwarzanie mocy biernej. Wyłączenie jest niskoprądowe. W tych warunkach trwałość CB jest bardzo duża. Natomiast awaryjne - zwarciowe wyłączenie pod potężnym prądem szkodzi CB i producenci podają ilość takich incydentów jakie zniesie CB. Wielkie trójfazowe CB Wysokiego Napięcia to sprzężone mechanicznie trzy jednofazowe CB. Oczywiście muszą dla poprawnej operacji jednocześnie zadziałać wszystkie. CB może mieć wbudowane przekładniki prądowe i elektronikę do nastawianej inteligentnej ochrony zasilanego obiektu. Duży, skomplikowany CB kosztuje circa tyle ile mały samochód osobowy.

6.W elektroenergetyce słowo „przekaźnik” jest używane na urządzenia detekujące określone, zdefiniowane normą państwową stany w sieci trójfazowej. Jest to przekaźnik tylko w tym sensie że na wyjściu ma styki przekaźnika sygnalizujące wystąpienie określonego stanu choć spotykane są już wyjścia półprzewodnikowe. Produkcje takich "standardowych" ( powstała w USA norma państwowa z dwucyfrowymi oznaczeniami realizowanych funkcji ) "przekaźników" rozpoczął na początku lat czterdziestych koncern General Electric. Później zastosowano w nich również elektronikę.

7. Czas zadziałania przekaźnika zależy od podanego napięcia wzbudzenia. Producenci w swojej normie podają rekomendowany zakres napięć wzbudzenia. Nie należy przekaźnika zasilać za dużym napięciem bowiem niepotrzebnie nagrzewa się jego cewka i nagrzewa się cały przekaźnik ( także jego styki ) co skutkuje spadkiem jego trwałości.

Czas odpuszczenia przekaźnika zależy od napięcia wstecznego na cewce przekaźnika. Przy dużym napięciu wstecznym czas odpuszczenia przekaźnika może być rzędu 2 ms a kontaktronowego jeszcze krótszy. Przy ograniczeniu napięcia wstecznego diodą ( często stosowana przy sterowaniu przekaźnika tranzystorem ) czas może wynieść nawet 20-30 ms. Zatem gdy zależy nam na szybkim odpuszczeniu styków trzeba napięcie na cewce ograniczyć szeregową diodą i dioda Zenera lub szeregowym dwójnikiem RC lub zastosować tranzystor który wyłączony w modzie przebicia lawinowego Avalanche toleruje energie z pola magnetycznego cewki.

Zwłoczne przekaźniki telefoniczne mają zamiast części uzwojenia miedziany pierścień jako zwarty zwój o dużym przekroju.

Testowe działanie przełączającego małe napięcia DC styków przekaźnika można obserwować oscyloskopem. Nawet przy czasie zadziałania przekaźnika 10 ms i czasie odpuszczenia 2 ms nie można podać sterowania o częstotliwości większej od ca 10 Hz bowiem układ mechaniczny przekaźnika wpada w rezonans . "Rezonansowe" działanie przekaźnika zaczyna być też zależne od przestrzennej orientacji (grawitacja ) jego położenia.

8.W logice TTL (wszystkich odmian), ECL, DTL, PMOS, NMOS, CMOS wyjściowy sygnał napięciowy można podać do wielu wejść. W logice I2L wyjść prądowych "bramki" musi być tyle ile jest wejść dla danego sygnału. Mieszane są wymagania logiki EFL.

Przekaźnik musi mieć tyle styków w ilu niezależnych gałęziach logicznych jest stosowany sygnał wypracowany danym przekaźnikiem.

W logice przekaźnikowej łączeniu szeregowemu styków lub bloków logicznych z połączonych styków odpowiada funkcja logiczna iloczynu AND a równoległemu funkcja logiczna sumy OR.

Logikę na przekaźnikach stosowano w elektromechanicznych centralach telefonicznych (dalej licznie pracują ), ulicznych układach sygnalizacji świetlnej i w automatyce przemysłowej ( i innej ) gdzie współdziałała z "programatorami" i timerami bębnowymi obracanymi przekładnią przez mały silniczek synchroniczny. Stosowano też timery płynnie regulowane potencjometrem ładującym napięciem sieciowym poprzez diodę kondensator. W momencie gdy napięcie na ładowanym kondensatorze przekroczyło próg zapalenia się neonówki podawała ona na uzwojenie włączonego z nią szeregowo czułego kontaktronu ( na napięcie ca 60V) krótki impuls a sygnał z kontaktronu wystarczający był do aktywacji układu logicznego na przekaźnikach. Rezystor w timerze mógł być też być fotokomórką lub fotorezystorem dla blokady fotoelektrycznej lub detekcji światła.

9.Miniaturowy przekaźnik w tranzystorowej obudowie TO-39 może rozłączyć sygnał po czasie 0.2 ms. Zwykle przekaźniki są znacznie wolniejsze. Przekaźnik jest przyrządem elektromechanicznym. Szybkość działania systemów mechaniki i elektromechaniki limitują m.in. rezonanse wynikające z elastyczność materiału elementu i jego masy. Przykładowo zawory w wytężonych szybkoobrotowych silnikach spalinowych popychane krzywkami działają szybko i dokładnie. Szybkobieżne prasy wykrawają kształtki na rdzenie silników i transformatorów z blachy elektrotechnicznej.

Pierwsze arytmometry mechaniczne z XIX wieku były jednak okropnie powolne.

10.Pierwsze automatyczne centrale telefoniczne działają od początku wieku choć wybierak podnosząco – obrotowy znany był już dwadzieścia lat wcześniej. Przekaźniki w układach automatyki przemysłowej równolegle stosowane są też od początku wieku. Wraz z sensorami ( głównie przełączniki krańcowe ) realizują on sekwencje sterujące organy wykonawcze maszyn i urządzeń w systemie produkcyjnym. Ale mogą też monitorować poprawne działanie złożonego systemu mechanicznego jak maszyny do obróbki metalu, maszyny do produkcji papierosów lub tabletarki do farmaceutyków lub tabletek słodyczy do ssania.

Stosunkowo złożone były i są układy przekaźnikowe w automatyce w przemyśle motoryzacyjnym. Układy te na zachodzie projektowano już na minikomputerach. Modyfikacja algorytmu pracy jest trudna. Algorytm - logika działania wynika z okablowania układu. Łatwo jest popełnić błąd w wykonaniu okablowania automatyki przekaźnikowej. Wykrycie błędu może być czasochłonne i kosztowne. Poprawa okablowania automatyki przekaźnikowej stosownie do potrzeby może być kosztowna. Przekaźniki są wrażliwe na zabrudzenia styków a w tym na pyły, opary paliw i smarów. Toteż obudowane przekaźniki z wtykiem umieszczane są w podstawkach aby można je było szybko wymienić. Przekaźniki są też wrażliwe na silne drgania. Z powodu powolnego działania nie wymagają filtracji przeciwzakłóceniowej sygnałów do nich podanych co jest zaletą.

W zasadzie na zlecenie General Motors ( ogromny koncern motoryzacyjny w USA ) powstały w 1969 roku programowalne sterowniki logiczne Modicon ( Modular Digital Controller ). Zastosowano w nich "procesor" 1 bitowy i nieulotną pamięć ferrytową. Równolegle koncern Allen-Bradley z USA wprowadził na rynek Programmable Logic Controller. Jest to jego nazwa firmowa ale przyjmuje się ona jako nazwa dla każdego sterownika PLC !

Szybko w sterownikach logicznych zastosowano pamięci Eprom firmy Intel. Ich pojemność ulega podwojeniu co 2 lata a szybko spada też cena jednego bitu ich pojemności. Obecnie komercyjne sterowniki wykonane są już na komercyjnych mikroprocesorach 4 i 8 bitowych ale niedawno stosowano jeszcze procesory CPU jednobitowe wyłącznie do realizacji zadania PLC. Program działania sterownika logicznego do jego pamięci nieulotnej wprowadza się specjalnym firmowym programatorem, który nie jest tani. Opracowany program zapisany jest na kasecie magnetofonowej. PLC ma odpowiednią dla warunków przemysłowych szczelną obudowę odporną na kurz, zabrudzenia i drgania. Powinien być odporny na zakłócenia elektromagnetyczne oraz winien mieć zasilacz tolerujący duże spadki napięcia sieciowego.

11.O inicjacji wyładowań atmosferycznych prawdopodobnie decyduje promieniowanie kosmiczne. Uderzenie pioruna w niechronioną przewodem odgromowym napowietrzną linie energetyczną powoduje zapalenie się łuku na izolatorze linii podtrzymywanego dalej zwarciowym prądem sieciowym. Zastosowane w USA już w latach trzydziestych urządzenia Recloser ( w Polsce „Samoczynne Ponowne Załączanie” czyli SPZ ) szybko odłączają zwartą linie ( detekcje zwarcia wykonują "przekaźniki" stosowane w energetyce ) i po czasie ( 0.5-2sec ) z zapasem wystarczającym na dejonizacje przestrzeni połukowej załączają linie. Jeśli zwarcie nie ustąpiło po załączenia następuje ponowne wyłączenie. Po drugiej próbie, załączenia może dokonać dopiero człowiek. Algorytm pracy można rozbudować ale ma to niewielki sens jako że ponowne załączania zasilania linii przy uszkodzeniach jeszcze je powiększą. Logika działanie Reclosera - SPZ jest stosunkowo prosta i wydaje się że jej realizacja na mikrokontrolerze / mikroprocesorze nie jest obecnie sensowna. Po stanieniu mikroelektroniki realizacja Reclosera z mikrokontrolerem będzie racjonalna.

12.Układ sterowania windy osobowej wykonany był na przekaźnikach. W drapaczach chmur szybkobieżne windy dalekiego zasięgu napędzane są silnikami komutatorowymi zasilanymi z regulowanego tyrystorowego invertera (jest to położeniowe DC serwo mocy ale stosowane są już nowoczesne napędy z silnikiem asynchronicznym regulowane częstotliwościowo ) dla zapewnienia płynności przyspieszania i hamowania. Wysokościowiec ma cały system wind i stacji - pięter przesiadkowych. W wolniejszych windach strefowych nadal w napędzie stosowany jest tańszy silnik asynchroniczny pierścieniowy lub dwubiegowy. Sterowaniem każdej windy zajmował się sekwencyjny układ przekaźnikowy a później układ dedykowany na standardowych układach scalonych a obecnie sterownik dedykowany z mikroprocesorem lub PLC.

Sterowaniem systemu wind ( koordynacja i podział zadań ) zajmuje się obecnie mikrokomputer. System sterowania winien być redundantny dla zapewnienia wymaganej niezawodności. Sterowniki z mikrokontrolerem ma każda winda w systemie.

Chociaż przekaźnikowe układy automatycznego sterowania wind budowano już na początku wieku to windy nadal obsługiwali windziarze. Wobec wyrażanego, przy próbach usunięcia, niezadowolenia przez klientów usuniecie windiarzy było niemożliwe. W USA korzystając z fali radości po zakończonej II wojnie szybko zrezygnowano z windziarzy co w natłoku informacji pozostało niezauważone. Zjawisko „przykrycia” wydarzeń innymi wydarzeniami czyli odciągnięcia uwagi publiki od niepopularnych pociągnięć lub kompromitujących faktów jest szeroko wykorzystywane w polityce.

Model windy osobowej modelarz może dość łatwo wykonać z plexi , listewek, silnika i zębatek oraz innych elementów m.in. z zabawek. Funkcjonujący model windy może stać na biurku lub większy na podłodze laboratorium. Prace windy może tez symulować system cyfrowy, także z mikrokontrolerem.

Na dołączonym do modelu lub rzeczywistego urządzenia systemie uruchomieniowym można ćwiczyć wykonanie i uruchomienie programu do sterowania urządzenia. Systemy uruchomieniowe Intela, Motoroli i innych firm są bardzo drogie ale prosty system uruchomieniowy można dość łatwo wykonać stosując m.in. zintegrowany wyświetlacz od kalkulatora i jego klawiaturę. Może on wyświetlać cyfry 0..9 i konieczne heksadecymalne A, B, C, D, E, F.

Sterowanie w laboratorium może też wykonywać mikrokomputer Apple lub TRS-80 a nawet taniutki ZX-81. Można też sterować prawdziwą pralką automatyczną lub obsługiwać wrzutnik monet stosowany w automacie sprzedającym. Dla bezpieczeństwa jednak studentów i uczniów sygnały I/O pralki winny być tylko logiczne z izolacją od sieci bowiem przecież napięcie sieciowe 220Vac jest niebezpieczne.

N.B Są produkowane pralki z 4 bitowymi mikrokontrolerem rodziny TMS1000.

TMS1000 były pierwszymi masowo produkowanymi mikrokontrolerami. Wolny zegar 400 kHz i wysokie napięcie zasilania wynikały z użycia prymitywnej i wolnej technologi PMOS rozdzielczości 8 um. Oferowano je w ilościach przemysłowych po 2 dolary. Cena ta nie obejmuje przygotowania programu i maski z programem w pamięci ROM. „Programowane” były w produkcji maską. W 1979 roku wyprodukowano ponad 26 mln układów z tej rodziny. Używane są w elektronice samochodów, sprzęcie AGD, grach i aparaturze pomiarowej. 1K lub 2K pamięci programu jest wystarczające do takich zastosowań.

W pralce mikrokontroler steruje 5-6 triakami bez izolacji od sieci zasilającej. Gdy stosowana jest jedna biegunowość prądu bramki triaka musi być ona ujemna z uwagi na małą czułość wyzwalania w kombinacji Ia-/Ig+. Konfiguracja silnika napędzającego bęben pralki zmieniana jest przekaźnikiem w stanie bezprądowym natomiast silnikiem steruje triak. Grzałkę mocy ca 2 KW załącza jednak przekaźnik o zwiększonej obciążalności styków.

Jeden zestaw winien być powielony aby zaspokoić potrzeby laboratoriów wszystkich polskich ( a może tez eksport ) Politechnik i Technikum. Po umieszczeniu testowej pralki we właściwym miejscu pomieszczenia przyłączenie do wody i kanalizacji nie powinno sprawić problemu.

W czasie gdy rozpoczynała się Rewolucja Przemysłowa zapóźniona Polska była prymitywną kolonią niewolniczą bo przecież pańszczyzna to okrutne niewolnictwo. Kapitalizm na terenie zaboru Rosyjskiego to element obcy – głównie Żydzi i Niemcy. Galicja to głód i cywilizacja wczesnego średniowiecza. Polacy uczestniczyli tylko marginalnie w rozwoju cywilizacji w zaborze pruskim. Międzywojenna Polska to czarna dziura w życiorysie Polski. Po wojnie musimy doganiać świat. Szybkiemu rozwojowi nie służy oszukiwanie narodu trzymaniem w tajemnicy kupowania licznych licencji. W Polsce technologia praktycznie nie powstaje.

Szczytem nowoczesności są teraz maszyny CNC ( Computer Numerical Control ) ale próbując od razu wskoczyć w tą nowość tracimy dziesiątki użytecznych szczebli pośrednich. Tymczasem wydziały mechaniczne Politechnik gdzie powinny powstawać projekty różnych maszyn na tle choćby wydziałów elektrycznych czy chemii są rażąco słabe.

Mikroprocesory, mikrokontrolery, układy peryferyjne i pamięci „szybko” tanieją. Koszt opracowania programu już czasem dominuje nad kosztem sprzętu. Tendencja ta będzie się pogłębiać. Toteż umiejętność programowania wbudowanych sterowników będzie dla polskich firm coraz ważniejsza no chyba że odpadniemy znów od cywilizacji.

Programator bębnowy w pralce automatycznej jest dość trwały pod warunkiem nieobciążania prądem jego styków. W polskiej pralce styki programatora włączają grzałkę o mocy 2000 Watt i za szybko ulegają uszkodzeniu.

Nowoczesna pralka z mikrokontrolerem i wyświetlaczem LED uzyska oczywiście lepszą cenę sprzedaży. Mikrokontroler może realizować z regulowanym napędem bębna dobre rozłożenie ubrań w bębnie przy wysokiej szybkości wirowania, która jest bardzo pożądana z uwagi na to że dobrze odwirowane pranie wymaga tylko krótkiego suszenia.

13.Moc cieplna największych pieców rusztowych jest niewielka jak na potrzeby energetyki i parę roboczą do turbiny energetycznej elektrowni dostarczało kiedyś równolegle wiele kotłów rusztowych. Rozwiązaniem dużej mocy jest piec pyłowy ( był to ogromny postęp ) lub piec z palnikami na olej opałowy lub gaz ziemny. Mankamentem tych pieców jest stabilna praca dopiero z minimum circa 40% mocy maksymalnej. Kocioł przed ponownym uruchomieniem wymaga m.in. przewietrzenie aby usunąć z jego wnętrza palne gazy i pył które mogłyby spowodować eksplozje. Kocioł opalany pyłem węglowym początkowo działa na palnikach olejowych - mazutowych. Cała sekwencja rozruchowa jest dość skomplikowana i dość długa aby nadmierne gradienty temperatur w grubościennych elementach nie powodowały skrócenia żywotności kotła. Bardzo ważny jest sensor płomienia zapobiegający podawaniu paliwa przy niedanym zapłonie lub gdy piec zgaśnie przy zbyt małej mocy. Gdy kocioł nie pracuje a sensor daje sygnał płomienia jest on uszkodzony. Sensor i jego system muszą być niezawodne. Logiczny układ sekwencyjny dla sterowania kotła wykonywano na przekaźnikach ale obecnie stosowane są już sterowniki PLC.

14.Uliczna sygnalizacja świetlna ma już swoje lata. Sekwencyjny układ logiczny wykonywano na przekaźnikach., także zwłocznych. Na przekaźnikach wykonywano nawet proste synchroniczne sterowania „zielonej fali”. Sterowniki były mocno awaryjne. Obecnie instalowane są już na Zachodzie sterowniki mikroprocesorowe. Zadanie zorganizowania „zielonych fal” w ruchu w złożonym układzie ulic wielkiego miasta nie ma rozwiązania teoretycznego i badania trwają. Testowane są różne algorytmy heurystyczne ale uzyskane rezultaty nie są rewelacyjne. Wydajność systemu komunikacji limituje dopasowanie do potrzeb systemu dróg i skrzyżowań, najlepiej bezkolizyjnych.

Stany wyjść sterownika są dodatkowo pilnowane prostym niezależnym logicznym układem bezpieczeństwa wykrywającym niedopuszczalne, kolizyjne sytuacje. Układ po wykryciu niebezpieczeństwa załącza na chwile wszystkie światła Czerwone a potem pulsujące Pomarańczowe i resetuje system mikroprocesorowy. Kierowcy stosują się do oznaczenia stałego.

Podobnie pilnowany może być sterownik windy.

15.Skomplikowana jest wieloetapowa sekwencja przedstartowa i startowa rakiety kosmicznej. Sekwencje można zatrzymać i usunąć odkrytą niegroźną usterkę i kontynuować sekwencje.

16.W centrali z wybierakami biegowymi Strowgera sterowanie jest rozproszone. Bardziej scentralizowane jest sterowanie na przekaźnikach w centralach z wybieraki krzyżowymi i tam można efektywnie zastosować do sterowania „komputer” zamiast wielkiej ilości przekaźników.

17.Systemowe miejsce sterownika PLC jest specyficzne. Uczestniczy on w systemie produkcji towarów i usług. Połóżmy nacisk na aspekt systemowy. O sterownikach do wind i świateł sygnalizacji ulicznej już wspomniano.

Automatyka umownie dzieli się na ciągłą, mieszaną i logiczną. Oprócz systemów automatyki pracują systemy monitoringu i alarmów.

W automatyce ciągłej sygnały z analogowych sensorów przetwarzane są głównie przez regulatory PI / PID na rozkazy dla aktuatorów. Pierwsze były regulatory pneumatyczne a za nimi elektryczne lampowe, tranzystorowe, scalone i programowe - cyfrowe z mikroprocesorem.

W sterowaniu logicznym użyte są sensory o wyjściu binarny i aktuatory o stanach On-Off. W układzie mieszanym stosowane są oba algorytmy działania.

W bloku energetycznym o mocy 1300 MW jest około 150 pętli regulacji i do 1600 sensorów. Sensorów binarnych jest do 800 i około 500 elementów wykonawczych.

Układy regulacji są wykonywane jako kaskadowe, regulacji stosunku i najczęściej w systemach złożonych jako selekcyjne-wariantowe. Sekwencyjna logika ingeruje w stany pracy regulatorów ciągłych.

W zakładzie petrochemicznym o płytkim przerobie ropy wydajności 10 mln ton rocznie pętli regulacji jest około 250 zaś sensorów 1200.

PLC z reguły operuje tylko podsystemem z czego wynika konieczna ilość Wejść i Wyjść. Awaria PLC podsystemu jest do opanowania. W elektrowni czy instalacji chemicznej aparatowym wydaje się telefonem i radiotelefonem polecenia do wykonania.

PLC dużymi maszynami sterują poprzez lokalny pulpit z kontaktorem z samopodtrzymaniem i pomocniczą logika Auto- Manual. Gdy przełącznik jest w pozycji Auto ( tak jest normalnie ) wykonywane są rozkazy PLC. Zmiana położenia przełącznika A/M nie może zakłóceniowo zmieniać stanu pracy urządzenia. Gdy przełącznik jest w pozycji Manual operator lokalnie wydaje rozkazy. Pulpit winien wytwarzać dla PLC sygnały logiczne: Auto/Manual z przełącznika, Run pomocniczym stykiem kontaktora i Failure przełącznikiem na bezpieczniku chroniącym np. zasilany silnik. Zamiast kontaktora i bezpiecznika trójfazowego może być użyty Circuit Breaker.

A.Myjnia samochodów. Jest to urządzenie dość skomplikowane i program sterownika PLC zbudowany jest miedzy innym z omawianych dalej funkcjonalności bardziej elementarnych.

Masową produkcje samochodów uruchomiono w USA, które przed wojną miały więcej samochodów niż cała reszta świata. Samochód należy myć aby powstrzymać korozję ( szczególnie od soli drogowej sypanej w zimie, także dodatkowo woskować ) i ze względów estetycznych. W niektórych krajach kierowca brudnego samochodu otrzymuje od Policji mandat. Wyjazd z placu budowy ciężarówką z ubłoconymi kołami to już niemała grzywna. Drogi brudzą też samochody wyjeżdżające z polnych dróg. Kurz z gleby mogą roznosić silne wiatry. Rzucanie śmieci na chodnik i niesprzątnięcie odchodów psa to wykroczenie mandatowe. Ulice sprzątają ciężkie wyspecjalizowane samochody. Ulice są też zmywane.

Mieszkańcy centrum miast ani osiedli bloków nie mają jak myć samochodów.

Pierwsza automatyczna myjnia samochodów osobowych powstała jednak w NRF w 1962 roku a nie w USA. Myjnie dzielą się na Tunelowe i Bramowe. Są one zaprojektowane na wymiar przeciętnego samochodu. Z reguły są elementem większej stacji paliw.

W myjni tunelowej przesuwany jest samochód który musi być początkowo ustawiony na środku tunelu w czym pomagają randy w podłodze. Pierwsze są duże obrotowe szczotki – dwie pionowe o stałym położeniu i jedna ruchoma pozioma. Siłą odśrodkowa obracających się szczotek sprawia ze średnica „walca” z paskami miękkiego tworzywa sztucznego bez dotyku samochodem wynosi ca 110 cm. Im bliżej wału szczotki jest bok samochodu tym mocniej hamowany jest napęd szczotki. Zbyt mocne awaryjne hamowanie szczotki zatrzymuje myjnie a w tym przesuw samochodu. Szczotka pozioma jest początkowo maksymalnie opuszczona aby umyć przód samochodu a następnie podnosi się myjąc klapę silnika i kabinę pasażerską. Do sterowania szczotki poziomej używane są sensory fotoelektryczne oraz sygnał poboru prądu czynnego przez silnik tej szczotki.

Początkowo do wody natryskującej dyszami samochód dodaje się myjący detergent a następnie już tylko spłukuje samochód. Dalej silna dmuchawa zdmuchuje wodę z nadwozia. Gdy samochód będzie „woskowany” po zimnym zdmuchiwaniu podaje się gorący strumień powietrza. Dalej samochód może być „woskowany”. Natryskiwana jest dyszami gorąca cieniutka warstwa mieszanki wosku i polimerów.

W ostrej zimie woda do mycia i powietrze zdmuchujące wodę z karoserii są zawsze podgrzane. Używana jest do tego celu energia elektryczna lub ekonomiczniej sieciowy gaz ziemny.

W państwach cywilizowanych woda wodociągowa jest stosunkowo droga a stawka za ścieki zawierające też smary i paliwa z myjni samochodów jest wysoka toteż myjnia może mieć własną oczyszczalnie brudnej wody i pracować w obiegu zamkniętym gdzie tylko z wodociągu uzupełniana jest utrata wody. Oczyszczalnia zawiera odstojnik, filtry i wirówkę.

Wydajna myjnia tunelowa ma wydajność do 100 samochodów na godzinę i razem z oczyszczalnią brudnej wody jest już małą instalacją przemysłową.

Interfejsem do sterującego myjnią PLC z 8 bitowym mikrokontrolerem jest m.in. wrzutnik na monety. „Myjący” wybiera sobie program. Właściwe mycie może być krótki lub długie z podgrzaną wodą. Woskowanie, mycie silnika. I tak dalej. Woskowanie istotnie podnosi odporność lakieru i mocno opóźnia proces korozji. Korozja wyrządza naszej gospodarce ogromne szkody i warto walczyć z korozją samochodów. Położenie geograficzne i klimat mamy jaki mamy i użycie soli drogowej jest czasem koniecznością.

W myjni Bramowej samochód jest nieruchomy a na przesuwającej się wzdłuż samochodu po szynach bramie są umieszczone są dwie obrotowe myjące i spłukujące szczotki pionowe i szczotka pozioma oraz silna dmuchawa powietrza. Wydajność myjki bramowej nie przekracza 15 samochodów na godzinę.

Ponieważ normą we współczesnym świecie jest kompletna 100% usługa to na stanowisku za automatyczną myjnią można strumieniem sprzężonej wody z detergentem umyć silnik i są dalej stanowiska odkurzaczami.

Najprostsza jest ręczna myjnia z wodą pod zwiększonym ciśnieniem. Też należy wybrać program mycia i wrzucić monety. PLC tylko podaje /lub nie według opłaconego programu przez określony czas ciepłą wodę z detergentem, zimną wodę z detergentem i zimną wodę do płukania.

Wielostanowiskowa „ręczna” myjnia jest prosta i tania w budowie ale na cenę usługi wpływa też koszt użytej wody i oczyszczalnia znacznie podnosi cenę. Ze względów bezpieczeństwa ( uszkodzenie oczu ) ciśnienie wody w przesuwanej ręcznie myjce jest ograniczone i skuteczność mycia jest niewielka. N.B. Strumień wody o ogromnym ciśnieniu w maszynach tnie się nawet stal.

Przez prostą stacjonarną ale skuteczną myjnie ( tylko dwie pionowe obracane boczne szczotki ) może tez powoli przejechać pociąg pasażerski. Przed szczotkami dysze natryskują wodę z detergentem. Za szczotkami dysze natryskują wodę do spłukania. Możliwe jest także „woskowanie”. Problem może stwarzać trakcja elektryczna i uziemienie musi być doskonale. W przypadku pociągu ciągniętego przez lokomotywę Diesla może być użyta górna szczotka pozioma.

Prosta myjnia z dwoma obracanymi szczotkami pionowymi + kilka pracowników z natryskami może myć autobusy miejskie i międzymiastowe. Możliwe jest także „woskowanie”.

Niemcy stereotypowo uważani są za naród czysty i wynalezienie tam myjni samochodowej nie jest przypadkiem. Estetyka wyglądu i czystość miast wydają się być proporcjonalne do dochodu narodowego per capita. Od brudnych i tonących w śmieciach slamsów III Świata aż po czyściutkie, bogate miasta zachodu. Ale już strajki śmieciarzy we Włoszech psują wizerunek zachodu.

Polsce w tej mierze jeszcze daleko do zachodu. Po miastach jeżdżą samochody na których dzieci piszą ”brudas”. Mimo iż Kodeks Wykroczeń każe ukarać brudasa mandatem to Milicja nic nie robi.

Zbudowana wokół PLC czy dedykowanego sterownika automatyka każdej myjni współpracuje z czujnikami fotoelektrycznymi, sensorami indukcyjni, krańcówkami i innymi prostymi sensorami binarnymi. PLC załącza stycznikami silniki napędów oraz grzejniki elektryczne do wody i powietrza lub palniki gazowe.

Myjnie z łatwością mogą być produkowane w Polsce. Mogą być eksportowane.

Polska w dziedzinie infrastruktury ma bardzo dużo do zrobienia. Poziom czystości napewno się z czasem poprawi.

B.Niezawodne systemy sprężonego oleju lub powietrza dla systemów automatyki, serwomechanizmów i narzędzi.

Niech będzie niezawodny system sprężonego powietrza. Składa się on z napędzanych silnikiem elektrycznym kompresorów A i B , zbiornika oraz jednokierunkowych zaworów odcinających i binarnego sensora ciśnienia powietrza w zbiorniku z histerezą. Każdy z kompresorów może mieć fabryczne zabezpieczenia przed uszkodzeniem. Przy spadku ciśnienia w zbiorniku poniżej minimalnego program załącza aktualnie wybrany do pracy kompresor A lub B. Gdy po załączeniu kompresora na określony czas ciśnienie się nie podniesie do wymaganego poziomu włączony jest drugi kompresor a pierwszy odstawiony. Generowany jest też alarm dla obsługi. Przy sprawnych obu kompresorach po jednym dniu pracy wybrany jest drugi kompresor ale nie w czasie gdy trwa pompowanie. PLC może dostawać sygnały aktywności od nadrzędnego systemu.

Podobnie może pracować system pomp hydraulicznych lub pomp wody wodociągowej czy chłodzącej lub pomp przepompowni ścieków.

C.Automatic Tool Change

Frezarka z automatycznym magazynem zmienianych narzędzi ( ATC - Automatic Tool Change ) to tak zwane centrum obróbcze. ATC z reguły ma napędy hydrauliczne ( ma też oczywiście swój zasilacz hydrauliczny czyli napędzana silnikiem elektrycznym pompę oleju ) ale sterowana jest przez PLC sygnałami elektrycznymi elektrozaworami hydraulicznymi. ATC ma też całkiem liczne sensory położenia i obecności. Automat ATC jest skomplikowany i drogi ale jest dla wydajnej frezarki CNC opłacalną koniecznością. Automat narzędzia zmienia znacznie szybciej niż człowiek. W ramach G-code zmianę narzędzia adresem M06 poprzedza wybór narzędzia adresem Txx ( xx to numer narzędzia w magazynie) a spindle ( czyli wrzeciono ) musi być zatrzymany adresem M05 i zorientowany ( OSS - Oriented Spindle Stop ) a oś Z ustawiona na właściwej wysokości.

Aby zrozumieć logikę konstrukcji maszyn CNC trzeba wyjaśnić kilka kwestii organizacyjnych w przemyśle. Oprogramowany mikrokomputer systemu CNC z odpowiednimi interfejsami i serwomechanizmy z reguły w świecie produkuje "jeden" ( w znaczeniu ten sam ) potężny koncern. Z uwagi na ograniczoną ilość pamięci ROM mikrokomputera CNC zawierającej interpreter G-kodów może być parę wersji oprogramowania ( z reguły są wersje dla "frezarek" i "tokarek" ) o różnym składzie interpretowanych G-kodów.

Producent gotowej frezarki wykonuje korpus, przekładnie, bezluzowe śruby kulkowe... Do konstruowanej frezarki wybieramy i kupujemy sterowanie z trzema osiami z pożądanymi mocami serwosilników. W sterowanie nie ma jednak ani invertera ani silnika spindle czyli wrzeciona. Można jednak kupić odpowiedni silnik z inverterem. Można też zastosować silnik asynchroniczny bez żadnej regulacji obrotów. Silnik spindle ma z reguły zmienianą elektrycznie z programu przekładnie aby przy różnych obrotach spindle pracował z pełną mocą. Do obróbki aluminium stosuje się duże szybkości spindle zaś do gatunkowych stali małe szybkości ale z dużym momentem obrotowym.

Magazyn ATC i współpracujący z nim zespół spindle z reguły nie jest bezpośrednio sterowany komputerem maszyny CNC ale jest sterowany osobnym sterownikiem PLC. Sterownik ten dostaje informacje z mikrokomputera o numerze xx w niektórych kodach Txx i Mxx i sygnał kiedy ma dokonać zmiany narzędzia. PLC w ATC więc wie które narzędzie ma przygotować i realizuje skoordynowany rozkaz ( sekwencje czynności ) do zmiany narzędzia. Co magazyn ATC to inny jest wymagany algorytm do jego sterowania. Program PLC realizuje też diagnostykę i wykrywanie błędów w działaniu maszyny. Co maszyna to inny sposób realizacji adresów Mxx. Mikrokomputer CNC mógłby też realizować funkcje PLC magazynu ATC ale koncerny nie chcą aby mikrokomputer CNC wykonywał zadania PLC – ATC co wynika z niechęci i kosztów rozpatrywania w ogromnej większości bezpodstawnych reklamacji nabywców maszyny. Poza tym nie wiadomo ile i jakich specyficznych wejść i wyjść potrzebuje sterownik PLC magazynu. A sensory w ATC bywają dość "dziwne" i wymagają niekonwencjonalnych interfejsów. Producent frezarki lub dostawca ATC sam wykonuje program na zakupiony sterownik PLC odpowiedni do kompozycji frezarki z magazynem narzędzi i udziela nabywcy gwarancji

Sterowanie CNC ( CNC Control ) składa się z oprogramowanego ( głównie interpreter G-Code ) mikrokomputera z interfejsami oraz elektroniki serwomechanizmów. Koncern elektroniczno - elektrotechniczny może dodatkowo dostarczyć w komplecie silnik elektryczny z wbudowanym sensorem położenia czyli Resolver ( selsyn ) lub optoelektroniczny sensor inkrementalny.

Ze sterowaniem CNC równie dobrze można zrobić wycinarkę plazmową do średnich i grubych blach – nawet na duży okręt. Budową maszyn zajmuje się przemysł maszynowy.

D.PLC może sterować systemem synchronicznych generatorów mocy napędzanych turbinami parowymi lub wielkimi silnikami Diesela. Agregaty załączane są według potrzeb i tak aby były równo średniookresowo obciążane i pracowały conajmniej ze średnią mocą aby nie dochodziło do niebezpiecznego „nawęglania” silników Diesla. Z PLC współpracuje m.in. prosty synchronizator dający PLC sygnały logiczne dojścia do synchronizacji w procesie synchronizacji nowo włączonego agregatu.

E.Potężne pompy wody zasilającej w bloku elektrowni mogą mieć napęd elektryczny z regulowanym sprzęgłem hydraulicznym w fazie rozruchu bloku i turbiną parową w czasie pracy.

Całością z pomocą binarnych sensorów może rządzić PLC. Ponieważ rozruch wielkiego silnika asynchronicznego jest bardzo ciężki to przed rozruchem sprzęgło hydrauliczne do pompy jest rozłączane. Często systemy regulatorów PI/PID wykonujące regulacje ciągłą współpracują ze sterownikami PLC. Sekwencja rozruchu bloku elektrowni cieplnej lub jądrowej jest długotrwała i bardzo skomplikowana.

Proste funkcje PLC:

-Obniżenie prądu rozruchu asynchronicznego silnika trójfazowego. Silnik załączony jest w konfiguracji gwiazdy Y a po chwili w konfiguracji trójkąta D. Czas krótkiej przerwy w zasilaniu silnika jest istotny ponieważ musi zajść dejonizacja obszaru międzystykowego kontaktora a z drugiej strony rotor nie powinien się rozmagnesować.

N.B W lokomotywach elektrycznych prądu stałego do rozruchu stosuje się szeregowe łączenie silników szeregowych oraz szeregowe rezystory rozruchowe dużej mocy. Do zwiększenia maksymalnej prędkości osłabia się wzbudzenie silników. Aby ograniczyć straty energii ( koszt energii elektrycznej i zmniejszenie żywotności przegrzanych rezystorów mocy co prowadzi do awarii ) w rezystorach, sekwencje rozruchu już dawno zautomatyzowano.

-Nieregulowany napęd nawrotny. Aby zmienić kierunek ruchu wystarczy asynchronicznemu silnikowi trójfazowemu zamienić dwie fazy zasilania. Napęd może mieć sterowany elektrycznie hamulec mechaniczny lub silnik może być dynamicznie hamowany prądem stałym podanym do stojana. Elektromagnes hamulca dużego silnika do odpuszczenia musi mieć przez chwile podane napięcie 110Vdc a potem wystarcza już 24Vdc. Ze względów bezpieczeństwa systemu hamulec bez prądu hamuje. Dla obniżenia prądu rozruchu można stosować łagodny rozruch algorytmem gwiazda – trójkąt.

-Jednoczesne sterowanie dwóch silników z blokadami

-Kontrolowanie dozowaniem substancji do zbiornika.

-Kontrolowanie przygotowania roztworów

-Sterowanie systemu transportu pneumatycznego

-Kontrolowanie wspólnie z wagą naważaniem substancji sterowane zaworami. Ze względu na dokładność zawsze sekwencja jest w kolejności rosnącej wagi substancji

-Mieszanie składników lub mieszanie z ich jednoczesnym podgrzewaniem parą wodną lub elektrycznością

-Nagrzewanie cieczy za pomocą kilku grzałek różnej mocy na podstawie informacji z kilku sensorów bimetalicznych

-Kontrolowanie poziomu w jednym, dwóch lub trzech kaskadowych zbiornikach.

-Kontrolowanie poziomu w równoległych zbiornikach

-Kontrolowanie popychaczy i maszyn roboczych dla obsługi pras, wiertarek, zespołu śrubokrętów, nitowania, zgrzewanie. Można użyć m.in. elektromagnesów i sprężonego powietrze. Nie jest koniecznie użycie od razu drogiego systemu CNC czy robotów

-Kontrolowanie nagrzania, gięcia i dmuchania rurek szklanych. Zadań sterownia binarnego w przemyśle szklarskim jest więcej.

-Kontrolowanie okresowego procesu mycia instalacji w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym. PLC steruje m.in. elektrozaworami i pompami oraz podaje polecenia do wykonania przez pracowników

-Sterowanie wirówką między innymi oleju lub paliwa ( HFO- Heavy Fule Oil czyli Mazut może być brudny ) używającą w procesie separacji wody. Wirówka powinna mieć także prosty binarny sensor nadmiernych wibracji co powoli ją wyłączyć zanim nastąpi jej uszkodzenie

-Kontrolowanie sekwencji pracy taśmociągów i zsynchronizowanie ich pracy. Napęd minimalnie szybszego taśmociągu ( skutkiem poślizgu silnika asynchronicznego mocniej obciążony silnik obraca się wolniej ) można troszkę zwolnić przełączając silnik asynchroniczny z trójkąta na gwiazdę lub okresowo podając silnikowi dławikiem obniżone napięcie zasilania.

-Kontrolowanie natryskowego malowania przedmiotów. Dysza/dysze rozpylająca farbę może być przesuwana prostym napędem a nie drogim serwonapędem od „krańcówki do krańcówki”. PLC załącza tez zawór sprężonego powietrza do dyszy aby nie marnować farby.

-Pilnowanie pracy maszyny zwijającej papierosy z taśmy papieru - bibułki i tytoniu. Pierwsza mechaniczna maszyna do zwijania papierosów powstała już w latach osiemdziesiątych XIX wieku. Wyczerpywanie się rolki bibułki musi sygnalizować ostrzeżenie dla obsługi aby włożyć nową role. Skończenie się roli bibułki musi zatrzymać maszynę. Monitorowana ma być też ilość tytoniu.

Urządzenia mechaniczne mogą być skomplikowane jak silnik spalinowy dużej mocy czy silnik turboodrzutowy. Klasyczny silnik Diesla jest czysto mechaniczny a silnik spalinowy z zapłonem iskrowym ma elektryczny układ zapłonowy.

Automatyczne są hydrauliczne skrzynie biegów.

-Pilnowanie i kontrolowanie maszyny rozlewniczej. Może ona nalewać do butelek wyprodukowane płyny spożywcze lub chemie i zamykać butelkę nakrętką lub kapslem.

Wcześniej butelki muszą być umyte i sprawdzone. Stosowanych jest wiele rozwiązań. Kontrolowane musi być ciśnienie płynu aby właściwe było napełnienie butelek. Sprawdzona musi być obecność butelek i kapsli. I tak dalej. Ciągiem dalszym jest przyklejanie etykiet na butelkach. W przemyśle spożywczym zastosowań sterowania binarnego jest dużo.

-Sterowanie napełnianiem beczek lub kanistrów

-”Pilnowanie” tabletarki która wydajnie podany proszek prasuje na tabletki leków lub słodyczy. Tabletki po separacji od resztek proszku są liczone podobnie jak obroty głowicy tabletarki. Niezgodność ilości tabletek z obrotami maszyny wywołuje alarm podobnie jak pojawienie się na silnym magnesie drobin żelaza co świadczy o uszkodzeniu mechanicznym maszyny. Zbyt niski poziom proszku do sprasowania w tabletki powoduje podanie ostrzeżenia dla pracowników lub automatyczne uruchomienie dosypywania proszku.

-Sterowanie rozgałęzionego ciągu przenośników

-Liczenie przedmiotów na taśmie na podstawie sygnału z sensora fotoelektrycznego lub indukcyjnego lub innych

-Kontrolowanie wpychania przedmiotów z taśmy do kartonu. Sterowany elektrozaworem tłokowy popychacz pneumatyczny ( jest niezawodny i ma rozsądną cenę ) zdetekowany przedmiot z taśmy wpycha do kartonu poprzez zwężające się wejście ( płaski „lejek” ) Nie jest więc wymagana wysoka precyzja działania.

-Odrzucanie wadliwych produktów na przykład po teście struktur tranzystorów lub struktur układu scalonego lub po testach gotowych, obudowanych elementów. PLC dostaje informacje od złożonego systemu testera, który może mieć wbudowany mikroprocesor. Struktury mikroelektroniczne mogą też być selekcjonowane na grupy parametrów oznaczonych finalnie w nazwie na obudowie elementu.

-Automatyzacja załadunku urobku kopalni do wagonów kolejowych bardzo powoli jadącego pociągu towarowego. System może m.in. mieć sensory fotoelektryczne detekujące przerwę między wagonami, magnetyczne detekujące koła wagonów składu i sensory tensometryczne do pomiaru wagi ładowanego urobkiem wagonu. Wagon nie może być przesypany aby nie doszło do utraty urobku. System może mieć dwa taśmociągi dla „regulacji” wydajności dostawy urobku. System może być wspomagany przez operatora będącego m.in. w kontakcie radiotelefonem z maszynistą w lokomotywie.

Załadunek może być rozpoczęty dopiero gdy para sensorów wskaże ze lokomotywa ( jako początek składu przejechała ) między sensorami w określonym przedziale czasowym czyli z prędkością w określonym przedziale. Może to być sygnalizowane świetlnie maszyniście. Załadunek jest przerwany gdy czas mijania kolejnych wagonów jest spoza przedziału.

-System synchronizacji przenośników taśmowych z robotem przemysłowym.

-System synchronizacji maszyny roboczej z robotem przemysłowym

-System bezpieczeństwa dla robota przemysłowego, który szybko pracując może człowieka, który wtargnie w jego obszar operacyjny, uszkodzić albo nawet zabić. Sensorami są sensory-przełączniki na zaporach, w podłodze, bariery fotoelektryczne i sensory ultradźwiękowe.

Realizacje funkcji logicznych i sekwencyjnych pracują w wielu urządzeniach:

-W systemie detekcji kolejności faz układu trójfazowego RST. Kolejność faz winna być sprawdzona przed uruchomieniem nowego urządzenia bowiem zamiana faz spowoduje obracanie się silników trójfazowych w niewłaściwą stronę i niewłaściwą pracę tyrystorowych sterowników fazowych i prostowników

-W układzie sterującym pracą przyrządów pomiarowych. Przykładowo przy pomiarze częstotliwości lub czasu trwania sygnału.

-Przetwornikach A/D metody podwójnego całkowania. Sekwencja pomiaru składa się z fazy Auto Zero, Całkowania sygnału mierzonego i De-całkowania napięciem odniesienia

-Przetwornikach A/D zbudowanych z przetwornika D/A i rejestru aproksymacyjnego

-Względnie rozbudowana jest sekwencja czynności wspomnianej już pralki automatycznej

-Automatyczne otwieranie bramy pilotem ultradźwiękowym / na podczerwień / radiowym zdalnego sterowania w ręku kierowcy wjeżdżającego samochodu. Automat operujący silnikiem napędu dostaje sygnały od odbiornika sygnału pilota i od krańcówek położenia bramy ( musi wpierw zwolnić ruch przed oporami mechanicznymi aby mechanizm był trwały ) i blokady fotoelektrycznej zapobiegającej zamykaniu bramy jeśli kolizyjnie stoi samochód

-Ekspres do kawy ( jest ich kilka rodzajów ) wykonuje sekwencje czynności począwszy od zmielenia ziarnistej kawy.

Przed podjęciem sekwencji sprawdza czy jest woda, kawa i nie jest zatkany filtr.

-Automat „pobudkowy” włącza radio o godzinie właściwej dla dnia roboczego lub świątecznego i włącza elektryczny czajnik do wody aby można było szybko zrobić kawę lub herbatę do śniadania

-Automat kuchenny mógłby na rozkaz doprowadzać do wrzenia i delikatnie gotować pod przykryciem określony czas. Sensorem temperatury garnka może być termopara, termistor lub sensor PT100. Potrzebny jest sterowany elektrycznie zawór do gazu. Łatwiejsze jest sterowanie kuchni elektrycznej. Zwróćmy uwagę że w warunkach przemysłowych temperatura i czas obróbki termicznej żywności są optymalizowane.

-System domofonu winien być sprzężony z zapalaniem światła na korytarzu po zmroku co detekuje fotorezystor. Krańcówka mogłaby pilnować zamknięcia wejściowych drzwi podnosząc alarm po czasie możliwy do skasowania przyciskiem na domofonie na wypadek gdy drzwi muszą być dłużej otwarte przy wnoszeniu mebli czy remoncie.

-Uruchamianie silnika samochodu kluczykiem to już archaizm. Po naciśnięciu przycisku rozruch winien przeprowadzić automat. Sygnał szybkości obracania się silnika pochodzi z układu zapłonowego.

Układy zabezpieczeń ruchu kolejowego wykonywane są dalej na przekaźnikach ale i tu pewnie szeroko wkroczy modernizacja z elektroniką. Temat jest omówiany już w przedwojennych zachodnich książkach ! W Polsce produkowany jest na licencji szwedzkiego LM-Erickssona system stacyjnego zabezpieczenia ruchu kolejowego JZH-111. Ma on już elementy elektroniki ale jest przestarzały.

-Sterowanie świateł semaforów na odcinku jednotorowym linii kolejowej. Gdy na odcinku znajduje się pociąg wjazd pociągu z przeciwnego kierunku jest zabroniony.

-Sterowanie świateł semaforów w węzłach trakcyjnych

-Sterowanie zaporami na przejazdach kolejowych

18.Najczęściej źródłem sygnałów binarnych dla sterownika PLC są przełączniki NO czyli Normal Open i NC czyli Normal Closed. W systemach niezawodnych, szczególnie alarmowych, preferowane jest rozwiązanie NC dające też kontrolę poprawności połączeń kablowych. Ale cały szereg „analogowych” sensorów ma nastawiane poziomy położenia ( z przełącznikami krańcowymi, fotoelektryczne, indukcyjne, magnetyczne), temperatury, ciśnienia, poziomu, stężenia, wibracji... przy których zmienia się poziom logiczny wyjścia. W USA funkcjonuje norma dotycząca cyfrowego oznaczenia funkcji „przekaźników” w energetyce.

Wyjściami PLC operuje kontaktorami, wyłącznikami CB, silnikami, solenoidami, poprzez elektrozawory siłownikami pneumatycznymi i hydraulicznymi, grzejnikami, lampkami i akustycznymi alarmami a w tym syrenami.

19.Sekwencyjne układy przekaźnikowe stosowane są od lat w ogromnej ilości maszyn i urządzeń przemysłowych.

Układy przekaźnikowe zostały częściowo wyparte przez logikę na tranzystorach a później układach scalonych. Produkowane są specjalne przemysłowe ( Siemens i Philips serie FZK, FZH... ) wysokopoziomowe serie układów logicznych o napięciu zasilania aż 12-15 V zamiast typowego w logice napięcia 5V. Są znacznie wolniejsze od układów TTL. Układy przemysłowe mają mieć dużą odporność na zakłócenia. Dobrze w tych zastosowaniach sprawują się popularne układy CMOS serii 4000 ( zasilanie do 15V) i są też znacznie tańsze i popularniejsze niż wymienione układy „przemysłowe”. Wszystkie układy scalone w tym zastosowaniu wymagają ochrony wejść i wyjść.

Ostatnim słowem w tej dziedzinie są sterowniki PLC.

18.W literaturze angielsko i niemieckojęzycznej jest mnóstwo przykładów syntezy praktycznych logicznych układów sekwencyjnych asynchronicznych i synchronicznych do sterowania przeróżnych konkretnych maszyn, urządzeń i systemów ( także w telekomunikacji ) na przekaźnikach, bramkach i przerzutnikach, matrycach PAL, z użyciem liczników, rejestrów, rejestrów przesuwnych, układów czasowych, multiplekserów i demultiplekserów oraz pamięci ROM. Szkoda ze literatura polska jest tak uboga. Oczywiście zawsze warto sprawdzić czy nie próbujemy wyważać otwartych drzwi. Często wystarczy drobna modyfikacja znanego od lat rozwiązania.

Warto zwrócić uwagę że sterowanie każdego procesora i mikroprocesora to maszyna sekwencyjna.

W USA szycie okablowania układów automatyki na przekaźnikach zautomatyzowano aby zmniejszyć koszty a nade wszystko zmniejszyć ilość pomyłek.

Podręcznikowe przykłady automatów asynchronicznych i synchronicznych to: sterowanie windy, domowa pralka automatyczna, myjnia samochodowa, sortowanie, suszarnie, przygotowanie mieszanek, naważanie, wysokie składowanie (wariacja windy), rozruch silnika asynchronicznego z przełączaniem Gwiazda – Trójkąt, automat do sprzedaży na monety

Wielkim akademickim błędem jest brak nauki konkretnego programowania.

Układy sekwencyjne czyli z pamięcią stanu na przekaźnikach wykonywane są jako asynchroniczne. Reakcja układu asynchronicznego następuje „natychmiast” ( oczywiście z opóźnieniem na czas propagacji sygnału przez „bramki” układu ) po zmianie sygnału wejściowego. Półprzewodnikowy układ asynchroniczny może mieć przerzutniki jawne. Regularny asynchroniczny przerzutnik RS ma tylko dwie bramki. Często przerzutniki są niejawne i tworzone przez sprzężenia zwrotne. Sekwencyjny układ asynchroniczny bezproblemowo pracuje wtedy gdy zmianie sygnału wejściowego towarzyszy tylko jedna zmiana stanu ”przerzutników” Gorzej gdy do finalnej zmiany stanu dochodzi ( Hazard ) poprzez momentalne zmiany stanu innych „przerzutników”

Syntezę układu asynchronicznego przeprowadza się intuicyjnie lub metodą tablic programu Huffmana.

Na rysunku pokazano układ do cyklicznego napełnienia i opróżniania zbiornika pomiarowego do silosu. Program pracy:

-Przenośnik dozujący M1-Z1 ma być uruchomiony gdy zbiornik pomiarowy jest pusty x1=0 i nie jest napełniony silos x3=0, który może zatem przyjąć substancje

-Po napełnieniu zbiornika pomiarowego x2=1, przenośnik ma być wyłączony Z1=0 a ślimakowy podajnik odbierający włączony Z2=1 jeżeli silos nie jest napełniony x3=0

-Po opróżnieniu zbiornika pomiarowego x1=0, podajnik ślimakowy ma być wyłączony Z2=0

-Zapełnienie silosa x3=1, w czasie opróżniania zbiornika pomiarowego nie przerywa opróżnienia czyli silos ma margines pojemności.

Synteza metodą Huffmana dla realizacji z ( asynchronicznym ) przerzutnikiem /R/S i bramkami NOR.

Identyczny wynik syntezy uzyskamy metoda intuicyjną.

Obecnie programatorowi PLC trzeba podać schemat drabinki a więc pracochłonną syntezę sekwencyjnego układu asynchronicznego i synchronicznego wykonuje człowiek.

Z pewnością programy mikrokomputerowe wkrótce ułatwią trudne projektowanie.

Synchroniczne przerzutniki D, T i JK są projektowane jako układ asynchroniczny ! Są dość skomplikowane i dużo bardziej skomplikowane niż przerzutnik asynchroniczny z dwóch bramek.

Na rysunku pokazano schemat logiczny przerzutnika synchronicznego JK w realizacji Master – Slave. Master i Slave to przerzutniki RS które są ustawiane ich bramkami wejściowymi rozłącznie w czasie jako że układy aktywowane są rożnymi poziomami napięcia Zegara.

W każdej rodzinie układów scalonych są przerzutniki synchroniczne. 8 sztuk przerzutników D tworzy kostkę „rejestru”

Przerzutniki synchroniczne są stosowane w układach synchronicznych taktowanych zegarem gdzie zmiany stanu przerzutników mają miejsce po zboczu sygnału zegarowego. Prawie wszystkie procesory i mikroprocesory są wykonane jako maszyna synchroniczna ale możliwa jest też realizacja asynchroniczna.

Trzeba zwracać uwagę na kontekst słowa „asynchroniczny” Przykładowo bardzo popularny licznik dziesiętny TTL 7490 nazywany jest asynchroniczny mimo iż zbudowany jest z przerzutników synchronicznych JK ale część przerzutników taktowana jest wyjściami z innych przerzutników a nie sygnałem zegarowym jak w układzie synchronicznym !

Pierwsze sterowniki PLC miały procesor 1 bitowy z akumulatorem i bardzo małą listę rozkazów. Akumulator - AC zawsze ( poza rozkazem jałowym NOP czyli No OPeration ) jest angażowany w instrukcji. W jednolitej przestrzeni adresowej ( podobnie jak w rodzinie mikroprocesorów Motorola 6800. Rodzina Intel 8080 ma rozdzielone przestrzenie I/O i Memory ) są Input czyli wejścia, Output czyli wyjścia i Memory czyli pamięć. Input i Output mają też Timery. Timery mogą mieć dodatkowo wejścia do wyboru odliczanego czasu. Wejściem Timer jest uruchamiany a obserwując w programie jego wyjście można stwierdzić kiedy odliczany czas się zakończył.

Wejścia logiczne PLC są z reguły izolowane transoptorami a wyjściami są miniaturowe przekaźniki, które sterują dopiero mocniejszymi przekaźnikami wykonawczymi lub stycznikami lub CB. Dobrym rozwiązaniem są wyjściowe triaki do obwodów sieciowych 220/380 Vac. W części sterowanych urządzeń izolacja wejść jest zbędna a wyjściami mogłyby być tranzystory, które są znacznie bardziej niezawodne niż przekaźniki. Niemniej bez izolacji wejść muszą być one starannie zabezpieczone przed przepięciami.

Wyjścia muszą być zabezpieczone przed zwarciami i pojawienie się scalonych wyjść jest kwestią czasu. Niesprawność systemu wyjścia mogłaby być sygnalizowana mrugającą diodą LED a informacja o uszkodzeniu użyta też w programie PLC.

Niech będzie jednobitowy procesor z ośmiobitowym słowem rozkazu branego z pamięci Eprom Intel 27XX. Trzy bity bajtu stanowią kod rozkazu a 5 bitów adres I/O czyli wejść / wyjść oraz Memory - pamięci. Z uwagi na mały zakres adresów, adresy dla dla I/O mogą być niejako podwójne. Adres w obszarze I/O dla odczytu operuje dla Input a dla zapisu dla Output. W Memory są pamiętane stany „przerzutników” czyli zmienne stanu sekwencyjnego automatu.

Poziom wejścia może się zmienić w czasie cyklu. Jeśli wejście jest użyte w paru miejscach programu i mogłoby to spowodować błąd programu to wejście należy na początku programu skopiować do M i dalej już korzystać z M zamiast wejścia.

Instrukcje prostego jednobitowego procesora PLC:

LOAD Adres. Załaduj bit z Adresu ( I/O lub Memory ) do Akumulatora

AND Adres. Wykonać AND AC z bitem o podanym adresie i zachowaj rezultat AC

ANDC Adres, C znaczy to Complement czyli inwersje wyniku

OR Adres

ORC Adres

STO Adres. Zapisz AC pod adresem ( I/O lub Memory )

NOP

Na rysunku pokazano realizacje funkcji logicznej przekaźnikami i bramkami.

Realizacja programowa sterownikiem PLC o podanych rozkazach jest następująca.

LOAD 023

ANDC152

OR 027

AND 054

ORC 041

ANDC133

STO 056

W prostym PLC program po dojściu do końca przechodzi na początek i jest cały czas wykonywany. Nie istnieje ryzyko utraty ścieki logicznej programu jak w konwencjonalnym procesorze. Nie ma niestety rozkazu podprogramu i PLC działa tak jak drabinka logiczna. Niezaprogramowane komórki w pamięci Eprom 27XX mają wartość FF. Zatem jeśli instrukcji NOP przypiszemy kod FF to program będzie mógł być dalej rozbudowywany ! Tracąc jeden adres z obszaru adresowego można uzyskać drugą instrukcje „NOP” Instrukcja z zerowym adresem także nic nie zrobi. W ten sposób dowolną instrukcje lub ich sekwencje w pamięci Eprom programator może nadpisać jako „NOP”

Omawiany procesor PLC nie zawiera rozkazu skoku warunkowego do realizacji instrukcji IF natomiast rozkazy takie zawiera każdy konwencjonalny procesor. Gdy w wyrażeniu instrukcji IF jest koniunkcja AND to niespełnienie jednego z warunków powoduje ze całość ma wartość logiczną False. Toteż w tekście programu do przetłumaczenia umieszczamy ten warunek najczęściej niespełniony jako pierwszy i kod z optymalizującego kompilatora ominie resztę wyrażenia w instrukcji IF. Gdy jest operacja sumowania logicznego OR jako pierwsze dajemy wyrażenia gdzie najczęściej będzie wartość True i całość ma wartość True.

W procesorze PLC jest zawsze wyliczana całość wyrażeń.

Program dla „PLC” można wykonać na każdym konwencjonalnym procesorze ale niestety jednemu rozkazowi z naszego programu będzie odpowiadać po kilka rozkazów bowiem większość komercyjnych procesorów 4,8,16 bitowych nie mają instrukcji jednobitowych wprost do realizacji programu PLC.

Procesor Zilog Z80 ma rozkazy testowania bitu o numerze b - BIT oraz rozkazy ustawiania bitu b - SET i zerowania bitu b - RES. Bity mogą być w rejestrze lub pamięci. Wszystkie rozkazy BIT b, (IX+d) (ale też SET i RES z tą adresacją i także z rejestrem indeksowym IY) są aż czterobajtowe !

Czas na reakcje PLC wejściami na zmiany stanu wejść lub Timera jest ograniczony właściwościami sterowanych urządzeń i nie powinien być zbyt długi.

W 1977 roku Zakłady Automatyki Przemysłowej MERA ZAP w Ostrowie Wielkopolskim podjęły licencyjną produkcję prostego sterownika PLC ( procesor jednobitowy i pamięci Eprom ) zachodnioniemieckiej firmy PILZ Gmbh pod nazwą INTELSTER PC4K wraz z programatorem.

Sterowniki PLC były też wmontowane w importowane za pożyczone dolary urządzenia. Według szacunków w Polsce nie ma nawet tysiąca sterowników PLC i dopiero raczkujemy w tej dziedzinie automatyki dyskretnej.

Użycie PLC jest racjonalne przy skomplikowanych i zmienianych algorytmach. Decyduje oczywiście stosunek ceny godziny pracy pracownika do ceny mikroelektroniki użytej w budowie PLC.