Styrings- og automatiseringsteknikk. 1 [1] 8256226234 [PDF]

Zitiervorschau

POSTBOKS 278 - 8601 MO

J. Ouwehand A. Drost

Styrings- og automatiseringsteknikk I Norsk utgave ved Odd Hammertoft og Øivind Husø

^NKI

Originaltittel: Besturingstechniek en automatiseringstechniek © 1988 by B.V. Uitgeverij Nijgh & Van Ditmar, The Hague, The Netherlands

Norsk utgave: © NKI 1992 1. utgave 1. opplag 1993

Utgiver: NKI Forlaget Hans Burums vei 30 Postboks 111, 1341 Bekkestua Tlf: Sentralbord 67 58 88 00 Ordrekontor 67 58 89 00 Sats: PrePress as Trykk: GCS

Det må ikke kopieres fra denne boka i strid med åndsverkloven og fotografiloven eller i strid med avtaler om kopiering inngått med KOPINOR. interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Kopiering i strid med lov eller avtaler kan medføre erstatningsansvar, og kan straffes med bøter eller fengsel.

ISBN 82-562-2623-4

Forord

Denne tekniske fagboka er med i en ny serie maskinbøker fra NKI. Boka er skrevet for maskinkonstruktørutdanningen i den teknisk fagskolen og i ingeniørhøyskolen. Innen styrings- og automatiseringsteknikken gjør datateknologi og bruk av elektroniske kretser seg mer og mer gjeldende. Denne boka behandler bruken av slik teknologi i kombinasjon med mekaniske systemer sett fra et maskinteknisk ståsted.

Forlaget

Innhold

1

1.1 1.2 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.4 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.5

2

2.1 2.2 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.4 2.5

Innledning til automatiseringsteknikken

1

Innledning Digital og analog automatisering Energiomformere Hydrauliske energiomformere Pneumatiske energiomformere Elektriske energiomformere Hovedkoplingselementer Hovedkoplingselementer i hydraulikken Hovedkoplingselementer i pneumatikken Det elektriske hovedkoplingselementet Oppgaver

1 3 5 6 8 11 14 15 17 19 21

Signaler og signalgivere

22

Innledning Signaler Signalgivere Pneumatiske signalgivere Elektriske signalgivere Induktive og kapasitive følere Optiske signalgivere Selvvirkende mekanismer Oppgaver

22 23 24 24 29 31 32 33 35

3

3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.3 3.4 3.5

4

4.1 4.2 4.3 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.5 4.5.1 4.6

5

5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.3 5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.5 5.6 5.7 5.7.1 5.7.2 5.7.3 5.7.4

Styringer I

36

Innledning Logiske basisfunksjoner IKKE-funksjonen OG-funksjonen ELLER-funksjonen JA-funksjonen Kombinatoriske styringer Eksempler Oppgaver

36 36 37 38 39 41 42 46 52

Sekvensielle styringer

56

Innledning Styringsbetingelsene Bevegelsesdiagram, signaler,kommandoer og formler J Regler for skjemategning Det pneumatiske skjemaet Det elektriske skjemaet ellerstrømkretsskjemaet Det logiske skjemaet Integrerte kretser Pinnekonfigurasjon og kopling Oppgaver

56 56 57 62 63 65 66 67 69 72

Boolsk algebra

74

Innledning Tallsystemer og binærkoder Det desimale tallsystemet Det binære tallsystemet Sannhetstabeller Aksiomer, lover og regler Aksiomer Lover Regler Eksempler Oppgaver Kamaughdiagrammer Gray koden Minimumstermer og maksimumstermer Formen på kamaughdiagrammet Forenkling med kamaughdiagrammet

74 74 74 75 76 79 79 80 80 82 85 86 87 88 89 91

5.7.5 5.8 5.9 5.10 5.10.1 5.10.2 5.11

6

6.1 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.2.5 6.2.6 6.3 6.4 6.5 6.6 6.6.1 6.6.2 6.7

7 7.1 7.2 7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.4

8

8.1 8.2 8.3 8.4

Uspesifiserte kombinasjoner Eksempler Oppgaver NAND- og NOR-koplinger NAND-koplinger NOR-koplinger Oppgaver

94 95 98 100 101 104 106

Programmerbare logiske styringer (PLS)

108

Innledning Virkemåten til en PLS Optokopleren Skillereleet Signaler og adresser Sentralenheten HITACHI J-16 PLS Mitsubishi Melsec F2-40M PLS Programmering av en PLS Interne utganger OR-blokk og AND-blokk Inntasting av et program Hitachi J-16 Mitsubishi Melsec F2-40M Oppgaver

108 110 110 111 112 114 115 118 119 123 126 128 128 130 131

Tidskoplinger

133

Innledning RC-koplinger Tidskoplinger Stigetidskoplingen Falltidsforsinkeren Pulsomformeren Oppgaver

133 133 134 134 139 143 148

Styringer II

150

Innledning Kombinatoriske styringer med tid Sekvensielle styringer med tid Oppgaver

150 151 158 164

9

9.1 9.2 9.2.1 9.2.2 9.2.3 9.3 9.4 9.5

10

10.1 10.2 10.3 10.3.1 10.4 10.4.1 10.5

Minner og holdekretser

167

Innledning Typer av minner Minneenheter uten dominans Minneenheter med dominans Holdekretser (minnekretser) Eksempler Sammendrag Oppgaver

167 167 168 170 170 173 181 182

Styringer III

183

Innledning Kombinatoriske styringer med minne Sekvensielle styringer med minne Ventesirkelen Nødstopp Nødstopp-prosedyre hvoralle stempler går tilbake til hvilestillingen Oppgaver

183 184 192 196 199 200 206

1

1.1

Innledning til automatiseringsteknikken

Innledning

Den tekniske utviklingen fra begynnelsen av vår tidsregning fram til 1800-tallet gikk svært langsomt. Alle bruksgjenstander og produkter ble framstilt ved hjelp av muskelkraft (mennesker eller dyr) eller ved å utnytte vindenergien eller vannkraften direkte. Denne situasjonen endret seg drastisk da engelskmannen James Watt oppfant dampmas­ kinen omkring år 1800.

Resultatet av denne oppfinnelsen blir kalt den første industrielle revolusjonen. I stedet for muskelkraft og vind- eller vannkraft ble maskiner drevet av dampmaskiner og seine­ re av forbrenningsmotorer og elektromotorer. Vi snakker om drivmekanismer. Tidligere var operatørene nesten alltid til stede og styrte maskinene direkte, men etter hvert har det blitt mulig å overlate styringen til tekniske hjelpemidler. Når vi med tekniske hjelpemidler sørger for at mennesket blir frigjort fra rutineoperasjoner og produksjonen forløper av seg selv, snakker vi om styring.

■

Styring er bruk av tekniske hjelpemidler som gjør en drivmekanisme selvvirkende.

De tekniske hjelpemidlene vi tar i bruk i styringen, kaller vi styresystemet. Her kan rutinemessige operasjoner og bruk av hukommelsen overlates til logiske systemer. Se figur 1.1.

Styring

Maskin

Figur 1.1

Blokkskjema av styring

1

Når vi har videreutviklet styringen slik at maskinene også kontrolleres av et system og nødvendige justeringer blir foretatt uten at operatøren griper inn, snakker vi om automa­ tisering.

■

Automatisering er en videreføring av styringen hvor operatørene også blir frigjort fra en del av de kontrollerende og korrigerende operasjonene.

Kommandoer

Start

Stopp

Figur 1.2

2

Automatisering

På figur 1.2 ser vi en automatisert dreiebenk. Blokkskjemaet viser hvordan maskinen virker. Operatørens oppgaver består i å skrive programmer, tilføre råmaterialer og ta hånd om ferdige produkter. Sluttproduktene blir kontrollert manuelt, og det er også ope­ ratøren som stopper maskinen når et tilstrekkelig antall produkter er produsert. Deretter kan styringsprogrammet endres slik at et nytt produkt blir satt i produksjon. Datateknikken har gjennomgått en rivende utvikling de siste årene, og datamaskinen har fått stadig større betydning i styrings- og automatiseringsteknikken. Mange snakker nå om den andre industrielle revolusjonen. Ved bruk av ett eller flere datamaskinsystemer kan automatiseringen stadig videreutvikles. Det er mulig å ha flere produksjonsenheter (produksjonsceller) etter hverandre langs et transportsystem slik at produkter kan fram-

Tilførsel og avtak

Figur 1.3

Fleksibel produksjonsautomatisering

stilles automatisk selv om det kreves ulike tilvirkningsprosesser. Vi snakker om fleksibel produksjonsautomatisering (FPA).

1.2

Digital og analog automatisering Kommandosignalene som et styresystem gir, eller styresignalene som systemet mottar, kan vi dele inn i to grupper: digitale signaler analoge signaler

Med digitale systemer mener vi systemer hvor signaler bare kan ha to verdier, høy eller lav (T eller '0'). Som eksempel kan vi nevne en vanlig lysbryter. Når bryteren er lukket (høy), flyter det en elektrisk strøm, men når den er åpen (lav), flyter det ingen strøm. På figur 1.4 er tiden satt av horisontalt og den elektriske spenningen vertikalt.

Figur 1.4

Digital bryter

3

I punkt 1 er bryteren åpen, og det flyter ingen strøm. I punkt 2 lukkes bryteren, og nettspenningen (220 V) ligger over systemet. Bryteren er lukket til punkt 3 hvor den igjen blir åpnet slik at spenningen faller ut.

Digitale systemer blir brukt i: - elektriske styringer - elektroniske styringer - pneumatiske styringer programmerbare logiske styringer (PLS) - datamaskinstyringer I analoge systemer forekommer alle verdier mellom en minimumsverdi og en maksimumsverdi. På figur 1.5 er tiden avsatt på den horisontale aksen og spenningen på den vertikale aksen for en analog bryter. Vi ser at den elektriske strømmen flyter gjennom en regulerbar motstand.

I punkt 1 er resistansen høy og spenningen dermed lav. Mellom punkt 1 og punkt 3 reguleres resistansen fra en maksimumsverdi til en minimumsverdi slik at spenningen stadig øker. Et eksempel er et oppholdsrom hvor den vanlige lysbryteren er erstattet av en dimbryter. Se figur 1.6.

a digital bryter

4

Figur 1.6

Lysbrytere

b analog bryter (dimbryter)

Analogteknikk er mindre brukt i forbindelse med styringer enn ved regulering av prosesser.

1.3

Energiomformere Den energien som blir tilført en maskin, skal ved hjelp av ulike teknikker omformes til nødvendige bevegelser, en kraft eller kombinasjoner av krefter. Energiomformeme kan være styrt av en operatør eller av en styreenhet. Roterende motorer, pneumatiske og hydrauliske sylindere er viktige eksempler på slike energiomformere.

■

Energiomformeren er den delen av en mekanisme som mottar kommandoer fra et styresystem, og som deretter utnytter tilført energi til ønskede bevegelser.

Energiomformere som ofte blir brukt i forbindelse med automatisering, er: - hydrauliske energiomformere pneumatiske energiomformere - elektriske energiomformere Skjemaet på figur 1.7 viser de ulike energiomformeme.

Energiomformere Hydrauliske

Hydrauliske motorer

Elektriske

Pneumatiske

Motorer

Sylindere

Magnetisme

Oppvarming

Luftmotorer

Sylindere

Vakuumteknikk

Figur 7.7

Skjematisk oversikt over energiomformere

5

Figur 1.8

1.3.1

Hydraulisk motor for drift av vinsj

Hydrauliske energiomformere Hydrauliske motorer og sylindere blir tilført energi ved strømning og væsketrykk (olje). Når vi vil ha en roterende bevegelse, kan vi bruke en hydraulisk motor, eller hydromotor som den også blir kalt. Se figur 1.8. Figur 1.9 viser symbolet for forskjellige hydrauliske motorer. På grunn av de høye tryk­ kene (100-800 bar) og de store væskestrømningene som forekommer, kan hydrauliske motorer yte svært høye effekter.

Hydraulisk motor med én dreieretning og konstant slagvolum

Hydraulisk motor med én dreieretning og regulerbart slagvolum

Hydraulisk motor med to dreieretninger og regulerbart slagvolum

Vrimotor

Hydraulisk motor med to dreieretninger og konstant slagvolum

Figur 1.9

Symboler for hydrauliske motorer

Dersom vi vil ha rettlinjede bevegelser med hydraulikk, bruker vi hydrauliske sylindere. På figur 1.10 ser vi en hydraulisk sylinder som åpner og lukker en skyvedør.

6

Figur 1.11 viser symbolet for forskjellige sylindere og hvilke muligheter de gir.

Figur 1.10

Hydraulisk styring av en skyvedør

Enkeltvirkende sylinder Sylinderen får tilført olje fra én side slik at stempelet beveger seg utover. Bevegelsen i returretningen skjer ved hjelp av en ytre kraft.

Dobbeltvirkende sylinder Her blir stempelbevegelsen styrt ved å tilføre olje i plusskammeret (på dekselsiden) og i minuskammeret (på stempelstangsiden).

Differensialsylinder Denne sylinderen har også to tilkoplinger, men stempelstanga er tykkere. Denne typen blir brukt når vi vil omforme en liten kraft med stor hastighet til en stor kraft med liten hastighet.

Figur 1.11

Hydrauliske sylindere

7

Symbol Figur 1.12

1.3.2

Luftmotor

Pneumatiske energiomformere

Trykkluftdrevne enheter som motorer og sylindere, blir ofte brukt til å frambringe bestemte bevegelser. Pneumatikk er mindre egnet for store krefter enn hydraulikk. Energien blir tilført den trykkluftdrevne enheten fra luft som står under trykk. For rote­ rende bevegelser velger vi en luftmotor. Se figur 1.12.

En annen form for pneumatikk er vakuumteknikken. Lufta står da ikke lenger under trykk, men det er tvert imot et undertrykk i systemet. Et eksempel på bruk av vakuumteknikk er sugekopper som plukker opp deler eller produkter. Se figur 1.13.

Skal vi utføre rettlinjede bevegelser med pneumatikk, velger vi pneumatiske sylindere. Fordi de er svært utbredt, skal vi se på en del av dem.

8

Figur 1.13

Vakuumteknikk

Enkeltvirkende sylindere

Enkeltvirkende sylindere blir brukt når det bare er behov for kraft fra det utgående slaget (plusslaget). Figur 1.14 viser en enkeltvirkende sylinder og symbolene for: a enkeltvirkende sylinder hvor den tilbakegående bevegelsen blir styrt av en ytre kraft b enkeltvirkende sylinder hvor den tilbakegående bevegelsen blir styrt av en fjær

På minussiden (stangsiden) til sylinderen ser vi en trekant. Det betyr at det her må være utlufting slik at det ikke bygger seg opp et trykk i minuskammeret (på stangsiden) under det utgående slaget.

Symboler

Figur 1.14

Enkeltvirkende sylinder

9

Symboler

Figur 1.15

Dobbeltvirkende sylinder

Dobbeltvirkende sylindere

I en dobbeltvirkende sylinder blir det tilført luft i plusskammeret (på dekselsiden) for det utgående slaget (plusslaget) og i minuskammeret (på stangsiden) for det inngående slaget (minusslaget). Figur 1.15 viser en dobbeltvirkende sylinder. Her er det fire forskjellige symboler: a dobbeltvirkende sylinder med stempelstang på én side b dobbeltvirkende sylinder med gjennomgående stempelstang c dobbeltvirkende sylinder med dempning på begge sider d dobbeltvirkende sylinder med innstillbar dempning på begge sider

10

Dempning blir brukt for å unngå at stempelet slår mot dekselet med stor hastighet når innløpshastigheten og utløpshastigheten er høye. Figur 1.16 viser en gjennomskåret,

Figur 1.16

Dobbeltvirkende sylinder med innstillbar dempning

dobbeltvirkende sylinder med innstillbar dempning på begge sider. Ved avslutningen av et slag vil sylinderen tette mot avløpet slik at den lufta som er til stede i sylinderen, blir presset sammen. Denne lufta vil likevel slippe ut av sylinderen via ventilen slik at den siste delen av slaget forløper kontrollert.

1.3.3

Elektriske energiomformere Som skjemaet på figur 1.7 viser, har vi disse energiomformeme i elektriske mekanismer: elektromotorer magneter Av elektromotorer skal vi ta for oss de motorene som forekommer i automatiseringsteknikken, det vil si: vekselstrømsmotorer likestrømsmotorer servomotorer (trinnmotorer, skiveankermotorer)

•

Vekselstrømsmotorer

Vi skiller mellom disse typene av vekselstrømsmotorer: synkronmotorer asynkronmotorer

Prinsippet for en synkronmotor bygger på at statoren blir koplet til et trefasenett (230 eller 400 V). Det oppstår da et magnetisk dreiefelt inni statoren. Viklingene til rotoren (polhjulet) blir magnetisert av en likestrøm slik at det oppstår et magnetfelt.

11

Dette magnetfeltet blir trukket med av det magnetiske dreiefeltet og får det samme turtallet. Turtallet til en synkronmotor er:

(1-1)

hvor:

n = turtallet i r/s f= nettfrekvensen p - antall polpar i statoren

Turtallet til en synkronmotor er derfor direkte proporsjonalt med nettfrekvensen f. I dag bruker vi derfor frekvensomformere for å regulere turtallet til en synkronmotor. Figur 1.17 viser en synkronmotor med frekvensomformer.

Figur 1.17

Synkronmotor med frekvensomformer

I asynkronmotoren blir det også utviklet et dreiefelt i statoren. Men rotoren består her av kortsluttede ledere slik at det på grunn av dreiefeltet blir generert relativt store veksel­ strømmen Lederne blir påvirket av krefter, ofte kalt lorenzkrefter, og rotoren beveger seg dermed i samme retning som dreiefeltet.

12

Likestrømsmotorer

Likestrømsmotorer blir brukt når vi ønsker å kunne regulere hastigheten til en maskin eller en maskindel, for eksempel sleiden til en dreiebenk. Likestrømsmotorer blir også brukt i kraner og løftebroer og i transportmidler som tog, trikker og elbiler.

•

Servomotorer

Med servomotorer mener vi styremotorer med relativt liten effekt som brukes i styringsog servoteknikken. Med en kommando kan vi få en servomotor til å dreie en bestemt vinkel eller forflytte en del over en bestemt avstand. Servomotorene har som regel liten treghet, det vil si at de reagerer raskt på en kommando. Vi skal nå kort se nærmere på trinnmotoren og skiveankermotoren fordi disse ofte blir brukt i automatiserings­ teknikken.

Som navnet antyder, dreies rotoren i en trinnmotor trinnvis rundt. Motoren består av en rotor som er en magnet (rotorpolar). Rundt denne rotoren ligger det et visst antall polpar som blir magnetisert via en styring. Se figur 1.18.

Figur 1.18

Virkemåten til en trinnmotor

Dersom vi driver en skruespindel med en trinnmotor, kan vi for eksempel posisjonere et arbeidsstykke på et bord. En skiveankermotor har en rotor som består av en tynn skive av isolerende materiale. På denne skiva er ankerviklingen plassert i form av en trykt krets. De viktigste egenskapene ved en skiveankermotor er: muligheter for store dreiemomenter hurtig turtallsregulering På grunn av disse egenskapene blir skiveankermotorer ofte brukt i robotteknikken. Se figur 1.19.

13

Figur 1.19

•

Robot

Magnetisme

Magnetisme blir i automatiseringsteknikken ofte brukt for å styre forskjellige typer av ventiler. Et annet bruksområde er elektriske releer. Figur 1.20 viser et slikt relé.

Figur 1.20

Relé

1.4

Hovedkoplingselementer

14

For at en motor, en hydraulisk sylinder eller en pneumatisk sylinder skal virke, må den koples til en energikilde. Vi kan for eksempel tenke oss en bryter som kopler strømmen til en elektromotor ut og inn. I slike tilfeller kaller vi bryteren et hovedkoplingselement.

Tidligere ble bryteren betjent av en operatør, men når vi snakker om automatisering, skal hovedkoplingselementet (bryteren) motta kommandoer fra et styresystem.

■

Med et hovedkoplingselement mener vi en del av en mekanisme som mottar kommandoer, og som på grunnlag av dem sørger for at en energistrøm blir tilført energiomformeren.

Blokkskjemaet på figur 1.21 viser hvor hovedkoplingselementet befinner seg.

Figur 1.21

1.4.1

Blokkskjema av hovedkoplingselement

Hovedkoplingselementer i hydraulikken

For å styre hydrauliske motorer og sylindere bruker vi vanligvis ventiler med sleider. Figur 1.22 viser en hydraulisk sylinder som er koplet til en sleideventil. Porten for arbeidsoljen når stempelet går ut (pluss-slaget), er angitt med A, og med B når stempelet går tilbake. På undersiden er sleideventilen koplet til et hydraulisk aggregat, slik at P angir tilførsel av olje under trykk (P for pressure), mens R står for returoljen til tank. Ventilen har fire tilkoplinger og tre stillinger og blir derfor kalt en 4/3-ventil.

P

R

Figur 1.22

Styresleide

15

De to fjærene trykker sleiden i midtstilling når vi slipper håndtaket. På figur 1.23 ser vi den samme situasjonen som på figur 1.22, men nå er delene gjengitt som symboler.

Vi ser at vi ved å bevege hevarmen kan bevege stempelet ut og inn eller stille det i en bestemt posisjon. Sleideventilen kan vi beskrive slik: 4/3-ventil, styrt med hevarm og med lukket midtstilling.

På figur 1.24 ser vi forskjellige måter en 4/3-ventil kan styres på. Vi ser også at selve ventilen byr på mange muligheter.

Dobbelt direkte elektrisk styrt

Hevarmstyrt

Dobbelt indirekte elektrisk

I midtstillingen er sylinderledningene trykkløse

Figur 1.24

16

Dobbelt direkte hydraulisk styrt

I midtstillingen er alle ledninger trykkløse

Ulike 4/3-ventiler

Dobbelt direkte pneumatisk styrt

VW Figur 1.25

Eksempel 1.1

Hvordan vil du definere styreventilen på figur 1.25? Svar:

1.4.2

En 4/3-ventil, dobbelt direkte elektrisk styrt med automatisk åpen midtstilling.

Hovedkoplingselementer i pneumatikken

På tilsvarende måte som hydrauliske komponenter blir tilført olje, blir pneumatiske komponenter forsynt med luft. Forskjellen er at luft kan komprimeres, og at lufttrykket er ca. 6 bar, og det er lavere enn væsketrykket i hydraulikken. Derfor er det heller ikke så problematisk om sylinderen blir stående under trykk i hvilestillingen. I pneumatiske anlegg kan vi derfor bruke en 4/2-ventil eller en 5/2-ventil som hovedkoplingselement.

På figur 1.26 ser vi en pneumatisk sylinder som er koplet til en 4/2-ventil, det vil si en ventil med fire tilkoplinger og to stillinger. Ventilen blir dobbelt direkte pneumatisk styrt slik at når luft blir tilført via inngang Z, beveger sleiden seg. Arbeidsluft strømmer via A til plusskammeret til sylinderen slik at stempelet beveger seg utover. Etter at luft er satt på inngang Y, vil ventilen stå slik figur 1.26 viser. Fordi ventilen har to hvilestillinger, snakker vi ofte om en bistabil ventil. På figur 1.27 ser vi hvordan ventilen ser ut i virke­ ligheten. Figur 1.28 viser den samme situasjonen som på figur 1.26, men nå blir ventilen styrt av luft fra den ene siden (Z) og av en fjær fra den andre siden. Denne konstruksjo­ nen innebærer at dersom vi vil at stempelet skal bevege seg utover, må vi gi en konstant kommando til Z. Vi snakker nå om en unistabil 4/2-ventil. Figur 1.29 viser konstruksjo­ nen.

Figur 1.26

4/2-ventil

Figur 1.27

Konstruksjon

17

Figur 1.28

Unistabil 4/2-ventil

Figur 1.29

Konstruksjon

Av figur 1.29 ser vi at en 4/2-ventil er vanskelig å lage og svært følsom for for­ styrrelser. I dag blir 4/2-ventilen derfor ofte erstattet av en 5/2-ventil. Den har en rund sleide som er lettere å produsere og mindre følsom for forstyrrelser. Figur 1.30 viser symbolet for en 5/2-ventil. Det framgår at den eneste forskjellen fra 4/2-ventilen er de to luftekanalene. Figur 1.31a viser hvordan 5/2-ventilen er konstruert.

Figur 1.30

18

Figur 1.31b

5/2-ventil

5/2-ventil

Figur 1,31a

Konstruksjon av 5/2-ventil

Koding For å kunne tilkople ventilen på riktig måte blir det i dag brukt to monteringskoder der sifferkoden er standardisert.

Tabell 1.1 Bokstavkode

Betegnelse

Sifferkode

P

1

Trykklufttilførsel eller oljetrykktilkopling

R, S

3,5

Tilkopling av avluftings- eller returledninger

A, B

2,4

Tilkopling av arbeidsledninger

Z, Y

12, 14

Styreporter 1 til 2 eller 1 til 4

På figur 1.32 ser vi den samme ventilen med henholdsvis bokstavkode og sifferkode. 2

4

Figur 1.32

Monteringskoder

Vi legger merke til dette: Z gir A Y gir B. Det vil si at den siste bokstaven i det engelske alfabetet gir den første og den nest siste den andre.

På figuren med sifferkode ser vi at kommando 14 forbinder trykklufta 1 med arbeidsledning 4 og kommando 12 forbinder trykklufta 1 med arbeidsledning 2.

1.4.3

Det elektriske hovedkoplingselementet

Det mest vanlige elektriske hovedkoplingselementet er releet. På figur 1.33 ser vi hvor­ dan et vinkelankerrelé virker i prinsippet.

Figur 1.33

Vinkelankerrelé

19

14 24 34 44

Figur 1.34

52 62 72 82

Hjelperelé

Rundt en bløtstålkjeme K som er festet til et åk T, er det viklet en spole. Til åket er det også hengslet et stykke bløtstål A. Når spolen blir påtrykt en likespenning, blir kjernen magnetisk og trekker til seg ankeret A, slik at den fjærende kontakten V lukker. I virke­ ligheten er et relé utstyrt med fire, seks eller åtte hjelpekontakter. Ved å påtrykke spolen en relativt lav spenning, kan vi kople flere systemer med hjelpekontaktene. På figur 1.34 ser vi en del av en strømkrets med den strømførende faseledningen L på oversiden og nullederen N på undersiden. Mellom de to lederne er det koplet et relé K med bryter S.

Dette releet kopler åtte hjelpekontakter der fire er hvilekontakter og de andre fire arbeidskontakter. Ved siden av hjelpereleet har vi andre releer som tidsreleet, motorvemreleet og kontak­ toren (magnetbryteren). Figur 1.35 viser et hjelperelé.

20

Figur 1.35

Hjelperelé

Oppgaver Kontrollspørsmal

1 2

Hva mener vi med den andre industrielle revolusjonen, og når startet den? a Hva mener vi med styring? b Hva mener vi med automatisering?

3 4 5

Hva mener vi med fleksibel produksjonsautomatisering (FPA)? Hva er forskjellen mellom digitale og analoge signaler? a Hva mener vi med en energiomformer? b Hvilke teknikker skiller vi mellom når det gjelder drivmekanismer? c Hvilke energiomformere har vi i de forskjellige teknikkene? Hvilke trykk opererer vi med i hydraulikken? Hvordan angir vi utlufting på en pneumatiske sylinder? Hvorfor blir det brukt dempere i pneumatiske sylindere? Hva mener vi med en servomotor? Hva er turtallet til en vekselstrømsmotor avhengig av, og hvordan regulerer vi det?

6 7 8 9 10

Øvingsoppgaver 1

Tegn et blokkskjema som viser fleksibel produksjonsautomatisering.

2

Tegn symbolene for hydrauliske motorer og hydrauliske sylindere.

3

Tegn symbolene for enkeltvirkende og dobbeltvirkende pneumatiske sylindere.

4

Tegn symbolet for en indirekte elektrisk styrt 4/3-ventil med åpen midtstilling.

5

Sett sifferkoder på 5/2-ventilen på figur 1.36.

Figur 1.36

21

2 Signaler og signalgivere

2.1

Innledning Figur 2.1 viser en automatisert produksjonsenhet. En slik enhet har mange roterende motorer, ulike kjeder og remmer og sylindere med stempler som beveger seg på en bestemt måte i forhold til hverandre.

Når vi skal automatisere en produksjonsenhet, må vi kople et styringssystem til de ulike hovedkoplingselementene, som igjen kopler motorer og sylindere til sine energikilder. Styringssystemet er igjen avhengig av å få tilført informasjon for å virke.

22

Figur 2.1

Automatisert produksjonsenhet

I vårt eksempel må vi for eksempel vite hvilken posisjon de ulike stemplene har, slik at systemet kan gi de riktige kommandoer for de videre bevegelsene. Komponentene som angir posisjonen til for eksempel et stempel eller posisjonen til et produkt eller et væskenivå, kaller vi signalgivere.

I dette kapittelet skal vi ta for oss en del signalgivere.

2.2

Signaler I digital styringsteknikk opererer vi med digitale signaler, det vil si signaler som enten er til stede ('!') eller ikke er til stede ('0'). Se figur 2.2. Vi skiller mellom følgende faser av et digitalt signal: ikke noe signal til stede, '0' stigende flanke, signalet kommer signalet er til stede, '1' fallende flanke, signalet faller bort r Ikke noe signal til stede

Figur 2.2

Digitale signaler

Signaler kan gjengis pneumatisk eller elektrisk. Figur 2.2 viser hvilke spenningsgrenser vi snakker om når det gjelder '0' og ' 1'. En signalgiver kan avgi et unistabilt eller et bistabilt signal. Hva dette innebærer, kan vi best illustrere med et enkelt eksempel. Se figur 2.3.

Figur 2.3

Unistabilt og bistabilt styrt signal

23

Når vi trykker inn knappen på figur 2.3a, som i dette tilfellet er trykknappen til en ringe­ klokke, blir det gitt et signal som varer til vi slipper trykknappen. Vi snakker om et unistabilt signal fordi signalet opptrer så lenge signalgiveren er betjent. Det forekommer også at et signal faller bort når vi betjener en signalgiver, og kommer tilbake når vi ikke lenger betjener den. I dette tilfellet snakker vi også om et unistabilt signal. Vi kommer tilbake til dette seinere. Et unistabilt signal blir levert av en unistabil signalgiver. Kjennetegnet er én (uni)stabil stilling, kvilestillingen. Et bistabilt signal kan vi tenke oss slik: På figur 2.3b ser vi at signallampen blir styrt av en vippekontakt eller vippebryter. Når signalgiveren (i dette tilfellet vippebryteren) blir betjent, lyser lampen. Men signalgiveren blir i samme posisjon når vi slutter å betjene den, og lampen fortsetter å lyse. Først når vi igjen betjener vippebryteren, faller signalet bort. Et bistabilt signal blir levert av en bistabil signalgiver, som altså har to (bi)stabile stillinger.

Signalgivere Som vi allerede har nevnt, kan vi dele inn signalgivere etter den typen signal de gir. Vi snakker om pneumatiske og elektriske signaler. Men vi kan også skille mellom signal­ givere med en indre mekanisme og følere eller sensorer uten indre mekanisme.

2.3.1

Pneumatiske signalgivere Figur 2.4 viser en mye brukt signalgiver, 3/2-ventilen (tre tilkoplinger og to stillinger).

24

Figur 2.4

3/2-ventil

”0"

"0”

0"

b IKKE-funksjon

a JA-funksjon Figur 2.5

3/2-ventil med JA- og IKKE-funksjon

På figur 2.5a ser vi at når ventilen er i hvilestilling, kommer det ingen styreluft ut av ventilåpning 2. Så snart vi tilfører ventilen et styresignal, blir ventilåpning 2 for arbeidslufta påtrykt '1'. Det vil si: Når vi påtrykker en 3/2-ventil '1' som styresignal, får vi T også på utgangen. Vi snakker om en JA-funksjon. Vi sier at ventilen er normalt lukket. Det betyr at utgangssignalet er '0' når ventilen står i hvilestilling.

Når ventilåpningene er tilkoplet på en annen måte, får vi symbolsk ventilen på figur 2.5b. Denne ventilen virker annerledes. Når ventilen IKKE får noe styresignal, har vi et signal på ventilåpning 2. Denne ventilen er en IKKE-ventil. Vi sier at den er normalt åpen. Det vil si at når ventilen er i hvilestilling, er utgangssignalet T. IKKE-ventilen «snur» inngangssignalet. Vi sier at signalet blir invertert. Når vi kombinerer JA- og IKKE-funksjonen, får vi en vekselfunksjon. På figur 2.6 er dette utført med en 4/2-ventil.

Figur 2.6

4/2-ventil

25

a utførelse

Figur 2.7

b gjennomskåret

c symbol

Trykknappstyrt 3/2-ventil med fjærretur, normalt lukket

På figurene 2.7a-c ser vi etter hverandre et bilde, en gjennomskåret 3/2-ventil og symbolet for en 3/2-ventil normalt lukket. Denne ventilen blir styrt direkte av en trykknapp. Når trykknappen er ubetjent, blir styreluftledningen (åpning 2) utluftet via ventilåpning 3. Når vi trykker på trykknappen, blir det forbindelse mellom 1 og 2, og vi får et utgående signal. Det fullstendige navnet på denne ventilen er: trykknappstyrt 2/3-ventil med fjærretur, normalt lukket. Ved direkte styrte ventiler kan kraften som kreves for å trykke inn trykknappen, være for stor. Tenk for eksempel på et lett produkt som skal trykke inn signalgiveren, og som der­ med skal varsle styringen om at det er til stede. Vi foretrekker derfor i slike tilfeller indi-

a gjennomskåret

26

Figur 2.8

b symbol

Indirekte rullestyrt 3/2-ventil med fjærretur, normalt lukket

rekte styrte ventiler. Figur 2.8 viser en indirekte rullestyrt 3/2-ventil. Hevarmen med rul­ le styrer nå ikke selve hovedventilen, men en styreventil med små dimensjoner. Betjeningskraften blir dermed liten. Styreventilen slipper igjennom arbeidslufta til over­ siden av en membran med større overflate. 3/2-ventilen blir dermed styrt ved hjelp av denne membranen. Ventilene kan styres på forskjellige måter. Tabell 2.1 er en symbolsk framstilling av ulike styringsmåter. Elektriske styreorganer er utelatt.

Med pneumatiske signalgivere er det også mulig å oppnå kontaktløse signaler. Vi opere­ rer da med pneumatiske følere (sensorer). Figur 2.9 viser en kontrollstasjon på et løpen­ de bånd. Med en pneumatisk reflektor eller refleksmunnstykke, som er en føler som registrerer trykkstigning, blir det kontrollert at det er lokk på krukkene. Føleren berører ikke lokkene.

Figur 2.9

Kontrollstasjon

27

a utførelse Figur 2.10

c symbol

b skjema Pneumatisk reflektor

Figur 2.10 viser en mikroreflektor (refleksmunnstykke) som virker slik: Åpning P på reflektoren blir koplet til en mater med et lufttrykk på 0,075 til 0,25 bar. Når det ikke er noen flate i området til reflektoren, strømmer lufta fritt ut av den ringformede åpningen. Det utgående signalet A er '0'. Når en flate passerer reflektoren innenfor den maksimale deteksjonsavstanden (for denne typen 4,8 mm), vil lufta ikke lenger passere uhindret, men bygge opp et signaltrykk i den innerste kanalen ved A. Se figur 2.10b. Det avgitte signalet er for svakt til at det kan påtrykkes styresystemet direkte, slik at det ved hjelp av en forsterker (JA-funksjon) som reagerer på trykk fra 0,0005 bar, må forsterkes til et brukbart lufttrykk i pneumatiske systemer. Figur 2.11 viser bruken av en luftport. Senderen og mottakeren er atskilt. Fordelen er at vi kan oppnå koplingsavstander på opptil 100 mm. I motsetning til reflektoren har vi nå

P

Sender

a utførelse

28

Figur 2.11

b symbol for ubetjent og betjent arbeidskontakt

Luftport

et utgangssignal når luftstrålen ikke blir brutt. Når en gjenstand bryter luftstrålen, faller signalet bort.

Fordelene ved pneumatiske følere sammenliknet med signalgivere med en indre meka­ nisme er: - fungerer i svært forurensede omgivelser (selvrensende) virker ved sterkt vekslende temperaturer (-40 til +100 °C) kan brukes i eksplosjonsfarlige rom har ingen bevegelige deler og er derfor praktisk talt vedlikeholdsfrie det er ikke behov for betjeningskrefter krever liten plass

En ulempe er naturligvis det kontinuerlige luftforbruket på 5 til 25 liter per minutt, avhengig av matetrykk og type.

2.3.2

Elektriske signalgivere Vi har også elektriske signalgivere. Den store fordelen ved å overføre signaler elektrisk er at elektriske signaler kan overføres over store avstander uten tidsforsinkelser. Sending av et pneumatisk signal tar noe tid, fordi det må bygges opp et koplingstrykk i luftled­ ningen. Elektriske signalgivere byr på mange muligheter, og vi skal nå se på en del av dem.

Figur 2.12 viser en rullestyrt elektrisk signalgiver. Virkemåten er svært enkel. Når rullen blir trykt inn, blir en indre kontakt omkoplet. Vi sier at kontakten «slår inn». Figur 2.12b viser symbolet. Kontakten slår inn mellom tilkoplingspunktene 3 og 4. Den horisontale, stiplede linjen med trekant er en symbolsk gjengivelse av betjeningsmekanismen og fjæra som åpner kontakten når rullen ikke lenger er betjent. Istedenfor rulle kan signalgiveren styres med en av de andre mekanismene som er vist i tabell 2.1. Når vi skal tegne hvordan vi lukker en arbeidskontakt i et elektrisk skjema, forbinder vi punktene 3 og 4 med en stiplet linje for at kontakten tydelig skal gå fram av skjemaet.

a utførelse Figur 2.12

b symbol for ubetjent og betjent arbeidskontakt

Elektrisk signalgiver med arbeidskontakt

29

ubetjent

betjent

a brytekontakt Fzgwr 2.13

2

2

ubetjent

betjent

b vekselkontakt

Rullestyrt bryte- og vekselkontakt

Det er også mulig å styre en signalgiver ved å bryte en kontakt. Se figur 2.13a. Når en signalgiver bryter en kontakt mens den lukker en annen, snakker vi om en vekselkon­ takt. Se figur 2.13b.

Figur 2.14 er en skjematisk framstilling av en pneumatisk sylinder A med to signalgive­ re og a,,. Giverne blir styrt av en kam på en stempelstang slik at posisjonen til sylin­ deren kan påvises. Det framgår at monteringen av signalgiveme krever stor plass. Figur 2.15a er et bilde av en sylinder med to reedkontakter. En reedkontakt er en signalgiver som kan monteres mot en pneumatisk sylinder, og som reagerer når et magnetisert stem­ pel er til stede. Figur 2.15b viser skjematisk hvordan et reedrelé er bygd opp.

Figur 2.14

a utførelse

30

Figur 2.15

Sylinder med reedkontakt

Sylinder med rullestyrte signalgivere

2.3.3

Induktive og kapasitive følere

Figur 2.16a gir et inntrykk av hvordan induktive signalgivere eller følere er bygd opp. Den sensitive endeflaten til føleren sender et vekslende magnetfelt hvor de magnetiske svingningene har en bestemt amplitude. Se figur 2.16b. Når en magnetisk eller elektrisk ledende gjenstand (for eksempel av stål eller kopper) passerer, blir det indusert små virvelstrømmer i gjenstanden. Generering av virvelstrømmene krever energi som blir truk­ ket ut av magnetfeltet til føleren, og amplituden blir dermed mindre. Denne minskingen av amplituden blir signalisert, bearbeidet og gitt videre til følerutgangen. Koplingsavstanden til denne typen følere avhenger av utførelsen og det materialet som skal detekte­ res, og ligger mellom 0 og 80 mm.

Når et materiale verken er magnetisk eller elektrisk ledende, kan vi ikke bruke en induk­ tiv føler. Skal vi oppdage slike materialer, må vi bruke en kapasitiv føler. Den reagerer på alle materialer (også metaller). Inni sensoren er det en kondensator. Elektrodene til kondensatoren er forbundet med den sensitive endeflaten til kapslingen til føleren. Prinsippet bygger på at et materiale som kommer i nærheten av kondensatoren, fungerer som en del av dielektrikumet til kondensatoren slik at kapasitansen endrer seg. Kapasitansendringen blir påvist, behandlet og påtrykt følerutgangen. Koplingsavstanden er også her avhengig av utførelse og materiale, og den varierer mellom 0 og 11 mm.

b virkemåte

Figur 2.16

Induktive følere

31

2.3.4

Optiske signalgivere

Når vi vil påvise en gjenstand og avstanden er mer enn 100 mm, kan vi bruke en optisk signalgiver. Tabell 2.2 viser tre typer av optiske signalgivere.

Tabell 2.2

Metoder

Prinsipp

Sender-/mottakertype

Mottakeren er plassert rett overfor sende­ ren. Dersom den direkte lysstrålen fra senderen blir brutt, omformer mottakeren dette til et definert utgangssignal.

Objekt Reflektortype

Sender + mottaker

Reflektor

Sender og mottaker er bygd inn i samme kapsling. Lysstrålen fra senderen blir kastet tilbake til mottakeren av reflektoren. Dersom lysstrålen blir brutt, omformer mottakeren dette til et definert utgangs­ signal.

Objekt Type uten reflektor

OKiiuei +

mottaker

Sender og mottaker er bygd inn i samme kapsling. Mottakeren oppdager den reflek­ terte lysstrålen fra objektet og omformer den til et utgangssignal avhengig av inten­ siteten. y

Objekt

Optiske signalgivere blir brukt til mange formål: - kontrollere om et produkt eller en del er til stede, se figur 2.17 - kontrollere om en etikett er satt på, se figur 2.17 påvise nivået i glass eller flasker varsle papirbrudd i papirmaskiner kontrollere posisjonen til et produkt, se figur 2.18

Ved siden av de eksemplene vi her har gitt, fins det mange forskjellige problemer som kan løses med signalgivere. Vi har ikke tatt for oss metoder for å kjenne igjen produkter på fargen, eller for å lese av kodingen på produkter med refleksjon. Bruk av ultrasonore (lyd med høy frekvens) signalgivere og følere blir ikke behandlet her.

32

BS-3

2.4

Figur 2.17

Etikettkontroll

Figur 2.18

Kontroll av posisjonen til et produkt Følerne BS-2 undersøker om lokket er på, og når det er tilfelle, skal reflektorene BS-1 kontrollere at det sitter riktig på.

Selvvirkende mekanismer

I det første kapittelet var vi inne på at vi kan gjøre ulike mekanismer selvvirkende.

33

a prøveutstyr

b pneumatisk skjema Figur 2.19 Eksempel på mekanisering

Figur 2.19b viser prøveutstyret for en stol. Det er meningen at luftsylinderen skal utføre en pulserende bevegelse helt automatisk. Figur 2.19b viser hvordan prøveprosessen kan automatiseres. De rullestyrte signalgiveme sørger for omkoplingen av den bistabile 4/2ventilen. Legg merke til at skjemaet er tegnet trykkløst når 4/2-ventilen er i hvilestilling. Mellom 4/2-ventilen og sylinderen er det to strupe-/tilbakeslagsventiler som sørger for at hastigheten til stempelet i sylinder A kan reguleres.

Lufta kan strømme uhindret inn til sylinderen via tilbakeslagsventilen, mens lufta som går ut av sylinderen, må passere en regulerbar strupeventil. Selvfølgelig kan vi bruke alle de signalgivere for dette formålet som vi har behandlet, i dette enkle automatiseringseksempelet.

34

2.5

Oppgaver K on trollspørsmål

Hvorfor må vi tilføre signaler til styresystemet fra produksjonsenheten? Hva mener vi med et digitalt signal? Hva er forskjellen mellom et unistabilt og et bistabilt signal? Hva mener vi med invertering av et signal? Hvorfor kan vi ikke alltid bruke direkte styrte pneumatiske ventiler som signalgivere? Hva er den viktigste forskjellen mellom å detektere et produkt med en reflektor og en luftstrøm? Nevn den store fordelen ved elektrisk signaloverføring sammenliknet med pneumatisk transmisjon? Hva er den store fordelen med en reedkontakt sammenliknet med en rullestyrt signalgiver? Med hvilke typer av følere kan vi kontrollere fyllingen av en flaske? Nevn to metoder.

1 2 3 4 5 6

7 8 9

Øvingsoppga ver

1

Tegn forløpet til et digitalt signal og sett navn på de forskjellige fasene.

2

Tegn symbolet til en pneumatisk ventil som kan invertere et signal.

3

Forklar hvordan en induktiv føler virker.

4

Lag en skjematisk framstilling av en optisk kontrollinnretning som signaliserer papirbrudd i en rotasjonspresse.

5

En luftsylinder blir styrt av en håndstyrt signalgiver. Når det utgående slaget er fullført, skal stempelet automatisk gå tilbake til utgangsstillingen. Tegn et pneumatisk skjema som viser hvordan denne delvise automatiseringen kan realiseres.

35

3 Styringer I

3.1

Innledning I kapittel 1 slo vi fast at når vi skal automatisere en enhet, trenger vi et styresystem.

Energi

Figur 3.1

Blokkskjema av en automatisert prosess

Styresystemet kan inneholde forskjellige pneumatiske, elektriske og elektroniske kom­ ponenter. Vi kan også bruke en programmerbar logisk styreenhet (PLS) eller en data­ maskin. Figur 3.2 viser en pneumatisk styring.

3.2

Logiske basisfunksjoner

En 36

styring er bygd opp av disse tre logiske basisfunksjonene: IKKE-funksjonen OG-funksjonen ELLER-funksjonen

Signaler

Styring

Hovedkoplingselementet

Figur 3.2

Pneumatisk styring

I de neste avsnittene skal vi se på disse basisfunksjonene og gjengi dem i tre digitale utførelser.

3.2.1

IKKE-funksjonen IKKE-funksjonen så vi på i forrige kapittel i forbindelse med pneumatiske signalgivere. Vi slo da fast at IKKE-funksjonen gir signal når det ikke er noe inngangssignal til stede. IKKE-funksjonen «snur» inngangssignalet. Vi sier at inngangssignalet blir invertert. Figur 3.3 viser forskjellige utførelser av IKKE-funksjonen.

U=a

signalering a pneumatisk

b elektrisk

c logisk

d logisk uttrykk

a U 0 1 1 0

e sannhetstabell

Figur 3.3

IKKE-funksjon

37

Forklaring av figur 3.3: - Den pneumatiske IKKE-funksjonen er en 3/2-ventil, normalt åpen. - Den elektriske IKKE-funksjonen får vi med en brytekontakt. Vi sier at lampen U lyser (U = '1') når signal a IKKE er til stede (a = '0'). Strømkretsen går mellom fase (L) og null (N) ved vekselstrøm og mellom + og - ved likestrøm. - Når vi skal bygge opp en elektronisk styring, går vi ut fra et skjema hvor styringslogikken er gjengitt skjematisk. Dette skjemaet har forskjellige symboler hvor figur 3.3c viser en IKKE-funksjon (inverterer). Ringen på utgangen står for invertering. - Figur 3.3d viser det logiske uttrykket for invertering. Foran likhetstegnet står kom­ mandoen, mens det signalet som må oppfylles for at kommandoen skal utføres, står bak likhetstegnet. Les: Kommando U skal utføres når a IKKE er til stede. IKKE-operatoren, det vil si tegnet for invertering, er en vannrett strek over bokstaven. - Figur 3.3e er en sannhetstabell. Den viser resultatet av det logiske uttrykket (U = a) for alle mulige tilstander av a. Denne tabellen kjenner bare to tilstander, a = 0' oga = T.

3.2.2

OG-funksjonen OG-funksjonen gjør det mulig å kombinere to eller flere signaler til en styringskommando. Figur 3.4 viser forskjellige framstillinger av OG-funksjonen.

a -----

&

a

a pneumatisk

b 0 0 1 1

a 0 1 0 1

c logisk

u 0 0 0 1

e sannhetstabell

38

Figur 3.4

OG-funksjon

U = a-b

d logisk uttrykk

Forklaring av figur 3.4: Den pneumatiske OG-funksjonen kan være en sleideventil med to seter. Se figur 3.4 a. Vi forutsetter at signalet a = '1' (lufttrykk) blir påtrykt venstre ventilinngang, mens signalet på høyre ventilinngang er b = '0'. Sleiden blir skjøvet mot høyre og forhindrer at '1' blir styrt til utgangen U. Betingelsen for at vi skal få '1' på utgang­ en, er at både a = '1' og b = '1'. Konstruksjonen ser vi på figur 3.5. Det elektriske skjemaet på figur 3.4b er enkelt. Betingelsen for at lampen U skal lyse, er at begge bryterne er betjent. Det logiske symbolet på figur 3.4c viser en OG-port med to innganger. OG-porten kan ha flere innganger, men aldri mer enn én utgang. Det logiske uttrykket på figur 3.4d leser vi slik: «U er lik a OG b». Det framgår at OG-operatoren er et punkt. Sannhetstabellen på figur 3.4e gjelder for to variabler. Det fins fire mulige kombina­ sjoner av a og b. Begge kan være 0', en kan være '0', mens den andre er '1', og beg­ ge kan være '1'. Generelt kan vi si at n variabler gir 2n mulige kombinasjoner. Sannhetstabellen viser at kommandoen U bare blir gitt når begge signalene er til stede.

Figur 3.5

3.2.3

Konstruktiv utførelse av en pneumatisk OG-ventil

ELLER-funksjonen

ELLER-funksjonen gjør det også mulig å kombinere to eller flere signaler til en styringskommando. Forskjellen fra OG-funksjonen er at ett signal er tilstrekkelig for å rea­ lisere en styringskommando. Figur 3.6 er en oversikt over ELLER-funksjonen.

39

U = a* b

c logisk

Figur 3.6

d logisk uttrykk

ELLER-funksjon

Forklaring av figur 3.6: Det pneumatiske ELLER-elementet er en vekselventil (se også figur 3.7). Når signalet '1' blir påtrykt en av inngangene, får vi et signal på utgangen. Kuleventilen stenger den inngangen som ikke blir påtrykt noe signal, slik at vi unngår «falske» signaler. Når begge signalene a og b er til stede, får vi også '1' på utgangen til ELLER-elementet. Vi snakker om en ELLER-funksjon inklusive OG. Elektrisk kan ELLER-funksjonen realiseres som en parallellkopling av kontakter, se figur 3.6b. Figur 3.6c viser det logiske symbolet for en ELLER-port med to innganger. ELLER-porten kan også ha flere innganger, men aldri mer enn én utgang. Det framgår av det logiske uttrykket på figur 3.6d at ELLER-operatoren er et plusstegn (+). Sannhetstabellen på figur 3.6e viser at vi får en styringskommando U så sant vi har '1' på minst en av inngangene.

Figur 3.7

40

Konstruktiv utførelse av en pneumatisk ELLER-ventil

3.2.4

I neste avsnitt skal vi bygge styringsskjemaer av styringsformler som er en kombinasjon av de tre basisfunksjonene. Når vi arbeider med styringsformler, er det viktig å kjenne rangordningen: IKKE går foran OG OG går foran ELLER Vi kan endre den vanlige rangordningen med parenteser

JA-funksjonen Ved siden av basisfunksjonene må en styring også kunne gjøre bruk av andre funksjoner som minnefunksjoner, tidsfunksjoner (som vi kommer tilbake til) og for eksempel JAfunksjonen. Vi har allerede sett på den pneumatiske JA-funksjonen. Figur 3.8 viser den­ ne funksjonen. JA-funksjonen er den inverterte verdien av basisfunksjonen IKKE. Vi kan bruke JA-funksjonen når vi vil forsterke et signal.

a -----

b elektrisk

a pneumatisk

> ----- (j

c logisk

U=a

d logisk uttrykk

a U _0__0_ 1 1

e sannhetstabell

Figur 3.8

JA-funksjon

I et elektrisk strømkretsskjema er det ikke alltid mulig å plassere JA- og IKKE-funksjo­ nen direkte i strømkretsen til kommandoen. Da må vi benytte hjelpereleer. Når vi slutter kontakten a på figur 3.9a, blir relé Y aktivert. Kontakt yj (det vil si første kontakt) luk­ ker, og lampe Lt lyser. På figur 3.9b blir reléspole Z aktivert når vi slutter kontakt b. Brytekontakten z1 vil da bryte kretsen, og lampe L2 slukker.

Kontaktene til hjelpereleet er tegnet uten styreorganer. Under hjelpereleet blir det laget en liten tabell som angir hvilken strømkrets kontaktene til hjelpereleet tilhører. I tabellen er strømkretsnummeret oppgitt, og a står for arbeidskontakt og b for brytekontakt.

1

2

a JA-funksjon med relé Figur 3.9

3.3

1

2

b IKKE-funksjon med relé

Bruk av hjelperelé

Kombinatoriske styringer I praktisk styringsteknikk vil vi ofte gjøre en bevegelse avhengig av en bestemt signal­ kombinasjon. Signalene som fører til at en kommando blir gitt, når ikke alltid fram til styringen til for eksempel en maskin i en fast rekkefølge. En styring som er avhengig av en bestemt signalkombinasjon, kaller vi en kombinatorisk styring. Vi kan definere den

slik:

■

En kombinatorisk styring er et logisk system hvor et antall - i vilkårlig rekke­ følge - innkommende signaler gir en styringskommando slik at en på forhånd fastlagt signalkombinasjon i en styringsformel er til stede.

Vi skal først se nærmere på styringsformelen. Sett at vi ønsker at en kommando L (som får en lampe til å lyse) skal realiseres når betingelsen er at enten signalene a, b, og c eller signalene d og e samtidig er til stede. Hvis vi tegner et skjema direkte på grunnlag av dette utsagnet, vil vi lett «kjøre oss fast». Når vi skal fastlegge koplingsbetingelsene, bruker vi i stedet boolsk algebra. Vi får da denne styringsformelen: L = a- b- c + d- e

Når vi har det logiske uttrykket for styringen, er det enklere å tegne et skjema eller skrive et program. Som i vanlig algebra må vi følge en bestemt rangordning: IKKE går foran OG OG går foran ELLER Vi kan endre den vanlige rangordningen med parenteser

42

1

2

1

2

Figur 3.10 b med forrang

Elektrisk strømkretsskjema for det logiske uttrykket L = a- b- c + de

Figur 3.10 viser to elektriske strømskjemaer.

Vi ser at koplingsbetingelsene ikke er oppfylt på figur 3.10a fordi signalene d og e ikke er samlet i en OG-funksjon i parallell med de andre signalene.

Et praktisk eksempel på en kombinatorisk styring er sikring av personalinngangen for eksempel i en bank. For å komme inn må en ansatt taste inn sin personlige kode. Døra går da automatisk opp. Etter for eksempel tre gale inntastinger, går alarmen. Uvedkommende som forsøker å finne fram til en gyldig kode, vil da bli oppdaget. Vi skal se nærmere på første del av styringen. Den personlige koden til en ansatt kan vi taste inn på et panel med fire trykknapper. Se figur 3.11.

Figur 3.11

Trykktastatur

43

Vi antar at koden for ansatt A går ut på at tastene c og d skal trykkes inn samtidig. Det

vil si: A=c•d Men dersom alle tastene blir trykket inn, vil døra også åpne.

Vi må derfor ha en begrensning som hindrer dette. Det vil si at vi får denne koden: A=a•b■c •d Ansatt B har denne koden: B=a•b■c•d Styringsformelen for ansatt A og ansatt B for åpning av døra (D) blir da: D+ = a • b • c • d + a-b-c-d

På figur 3.12 er styringen utført på tre forskjellige måter. Dette pneumatiske skjemaet er delt i tre deler: signalgiveme i det nederste feltet styresystemet i det midterste feltet energiomformeme med sine hovedkoplingselementer i det øverste feltet

Alle signalgiveme er utført som JA-funksjoner. Fordi avstanden fra signalgiveme til sylinderen som åpner døra er lang, er det fare for at D+-kommandoen ikke er kraftig nok til å åpne døra. Vi bruker derfor forsterkerventiler (JA-funksjoner) i styresystemet for å forsterke signalene. Sylinder D er unistabil slik at når koden faller bort, lukkes døra. Denne situasjonen er ikke tilfredsstillende, og det må derfor bygges inn en tidsforsinkel­ se. Vi kommer tilbake til dette seinere. I strømkretsskjemaet ser vi at det er brukt et hjel­ perelé for hver trykknapp. Det er nødvendig fordi hver trykknapp gir et signal som blir benyttet i to forskjellige strømkretser. D+-spolen sørger for at en JA-ventil kopler, og at sylinder D blir forsynt med luft. I et strømkretsskjema tegnes kontaktene øverst og kom­ mandoene nederst i skjemaet. I det logiske skjemaet på figur 3.12c ser vi igjen en inndeling i tre felt. Det framgår også at vi kan tilføre et invertert signal til logiske komponenter. Endringer av kodene er svært komplisert med denne koplingen. I praksis blir denne typen problemer løst på en mer «fleksibel» måte med et datamaskinprogram.

Ifølge definisjonen av en kombinatorisk styring er en styringskommando resultatet av en bestemt signalkombinasjon. Kombinatoriske styringer blir brukt i: - dekodere, for eksempel for å oversette fra blindeskrift til vanlig skrift - sorteringsinnretninger, hvor en bestemt signalkombinasjon vraker produkter eller halvfabrikata

44

startkoplinger, hvor en bestemt signalkombinasjon setter i gang en syklus, for eksempel 'start, sikkerhetsskjerm ned, magasin fylt' (nød)stoppkoplinger, som trer i virksomhet når en alarmknapp blir betjent, eller når det er tomt for råvarer e.l.

0) cz>

> Q

O)

co

o> ro ro Cl

co

a b 5 6

al b 6 5

a b 5 6

al b 5 6

c logisk

b elektrisk

Figur 3.12

Styring for døråpner

45

Merknad: Vi følger disse reglene når det gjelder styringsformler: kommandoer angis med store bokstaver styresignaler angis med små bokstaver Spolen i et hjelperelé er for eksempel en kommando som følger opp en bestemt signal­ kombinasjon, og blir derfor angitt med stor bokstav. Kontaktene i hjelpereleet blir igjen brukt som signalgivere fra styringen og blir derfor angitt med små bokstaver.

3.4

Eksempler Eksempel 3.1 Vi har en kombinatorisk styring for et utgangssignal som kan gjengis med denne styringsformelen:

S=a•b•c

a b

For hvilke signalkombinasjoner er kommandoen S til stede? Tegn det pneumatiske skjemaet, strømkretsskjemaet og det logiske skjemaet.

Løsning: a Når vi skal undersøke ved hvilke signalkombinasjoner kommandoen S er til stede, fyller vi ut en sannhetstabell for tre variabler. Se tabell 3.1. Signalkombinasjoner som gir T, gjelder for kommandoen S. Tabell 3.1

b

46

c

b

a

a-b c

s

0

0

0

0-1-0

0

0

0

1

110

0

0

1

0

0-0-0

0

0

1

1

1-0-0

0

1

0

0

o-l-l

0

1

0

1

1-1-1

1

1

1

0

0-01

0

1

1

1

1-0-1

0

På figurene 3.13a, b og c ser vi koplingsskjemaene for styringen.

a pneumatisk skjema

Figur 3.13

b strømkretsskjema

c logisk skjema

Styringsskjemaer til eksempel 3.1

Eksempel 3.2

Styringsformelen for lampen L er slik: L = a • b + a • c. Tegn strømkretsskjema med og uten hjelperelé.

Løsning: Figur 3.14a gjengir løsningen med bruk av hjelperelé for signal a. Når vi plasserer signal a, som er felles for begge leddene i styringsformelen, øverst i strømkretsen, får vi skje­ maet på figur 3.14b. På den måten sparer vi hjelpereleet.

b uten hjelperelé

Figur 3.14

Strømkretsskjemaer til eksempel 3.2

Eksempel 3.3

En enkeltvirkende sylinder D med fjærretur blir styrt av en 3/2-ventil, normalt lukket. Startbetingelsene er fastlagt ved en kombinasjon av signalene: a • b + a • c.

47

DI

a

med vekselventil for a

Figur 3.15

b med JA-funksjon for a

Pneumatiske skjemaer for eksempel 3.3

a b c

Skriv styringsformelen for plusslaget til sylinderen. Tegn det pneumatiske skjemaet. Tegn strømkretsskjemaet uten å bruke hjelpereleet.

Løsning: a Styringsformelen blir: D+ = a • b + a • c. b Fra signalgiver a har vi både bruk for signalet a og signalet IKKE a. Det er to muligheter for å få til dette. Vi kan enten bruke en 4/2-ventil eller en JA-funksjon som signalgiver med en invertering i styringsdelen av skjemaet. Begge alternativer er gjengitt på figur 3.15. Vi bruker ofte bare 3/2-ventiler, normalt lukket (JA-funk­ sjoner), som signalgivere for å forenkle utskiftingen av deler. c For å unngå bruk av hjelpereleer plasserer vi igjen signalgiver a øverst i kretsen. Både arbeids- og brytefunksjonen til signalgiveren for vekselkontakten blir benyt­ tet. Figur 3.16 viser strømkretsskjemaet.

48

Figur 3.16

Strømkretsskjema for eksempel 3.3

Eksempel 3.4 Figur 3.17 viser en pneumatisk presse. Pressen består av en sylinder P, en skjerm med en rullestyrt signalventil s og to trykknappstyrte signalventiler, a og b. Pressen virker slik: Når skjermen er lukket, er signalventilen s betjent. Når både signalgiver s og trykknappene a og b blir betjent samtidig, vil pressen bevege seg nedover så sant nødstoppbryteren n ikke er betjent. Den oppovergående bevegelsen til pressen blir satt i gang ved at skjermen blir hevet, eller ved at nødstoppbryteren blir betjent.

Figur 3.17

a b c

Pneumatisk presse

Sett opp styringsformlene for det inngående og det utgående sla­ get til sylinder P. Tegn det pneumatiske skjemaet for pressen. Forklar hvordan strupe-/tilbakeslagsventilene mellom hoved­ koplingselementet og sylinderen virker.

Løsning: a Med utgangspunkt i de styringsbetingelsene som er gitt, kan vi sette opp styrings­ formlene. Vi får da: P+ = s • a•b•n P- = s + n b Det pneumatiske skjemaet for pressen er gjengitt på figur 3.18. c

Strupe-/tilbakeslagsventilene eller hastighetsreguleringsventilene blir montert slik i kombinasjon med pneumatiske sylindere at lufta kan strømme uhindret til sylinde­ ren, men ut av sylinderen strømmer lufta via en strupeventil til ventilasjonsåpningen i hovedkoplingselementet. Lufta til sylinderen har derfor alltid fullt trykk. Dermed unngår vi den såkalte 'slip-stick-effekten'. Den kan oppstå dersom lufta blir tilført via en regulering slik at stempelet beveger seg rykkvis som følge av at det 49

Figur 3.18

Pneumatisk skjema for pressen i eksempel 3.4

stadig bygger seg opp et lufttrykk for å trykke stempelet framover og overvinne friksjonen. Etter at stempelet har bevegd seg et stykke, synker trykket igjen slik at stempelet beveger seg langsommere eller stopper helt opp. Deretter stiger lufttrykket via strupeventilen, og neste bevegelse følger. Figur 3.19 viser en gjennomskåret, innstillbar strupe-/tilbakeslagsventil.

Figur 3.19

Innstillbar strupe-Ailbakeslagsventil

Eksempel 3.5 50

Vi har styringsformelen L = (a + b + c • d) • e. Tegn strømkretsskjemaet for lampen L.

1

2

3

4

Figur 3.20

Strømkretsskjema for eksempel 3.5

Løsning: Når vi skal realisere styringsformelen, må vi ta hensyn til de rangordningene som gjelder. a + b (a ELLER b IKKE) går foran + c • d (ELLER c OG IKKE d), mens leddene i parentes går foran • e (OG e). Vi får da skjemaet på figur 3.20, hvor vi med det vi nå vet, ikke klarer oss uten et hjelperelé for a + b. Eksempel 3.6

Figur 3.21 viser tre forskjellige styringsskjemaer. Vi skal finne styringsformlene for L, M, S og A+.

a pneumatisk skjema

Figur 3.21

Styringsskjemaer

c logisk skjema

51

Løsning: Figur 3.22 viser de samme skjemaene på nytt, men nå er signalkombinasjonene for de forskjellige ledningene påført. Vi kan nå lese av disse styringsformlene: L = a • b • (b + c • d). Vi har brukt parentes for at uttrykket c OG d med ELLER b skal få forrang for a OG b. M = a • b + a. Kontaktene til hjelpereleet Z er i styringsformelen erstattet av det originale signalet a. S=a•c A+ = a•b•c + d

Figur 3.22

3.5

Utførelser av eksempel 3.6

Oppgaver

Kontrollspørsmål

52

1 2 3 4 5 6 7

Hva mener vi med maskinvarekomponenter i forbindelse med styringer. Hvilke tre basisfunksjoner er en styring bygd opp av? Hva mener vi med et invertert signal? En OG-ventil blir også kalt en totrykksventil. Hvorfor? Hva blir en ELLER-ventil ofte kalt? Hva er hensikten med en sannhetstabell? Hva mener vi med en kombinatorisk styring?

Hvilke rangordninger gjelder når vi skal utarbeide et styringsskjema på grunnlag av en styringsformel? Hvorfor regulerer vi sylinderhastigheten etter prinsippet ikke-strupt inn, strupt ut?

8 9

Øvingsoppga ver

1

Vi har styringsformelen S = a + b + c.

Tegn det pneumatiske skjemaet. For hvilke signalkombinasjoner i sannhetstabellen gjelder S = ' 1'?

a b 2

Tegn det pneumatiske skjemaet, strømkretsskjemaet og det logiske skjemaet for disse styringsformlene: a Lampe: L = a • b • c + d b Signallampe: S = a • b + a • c c Monostabil styrt sylinder med fjærretur: C+ = a • b • n d Motor: M = a • (b + c + d)

3

På figur 3.23 ser vi en enkel sorteringsinnretning. Et transportkjede mater fram bjel­ ker som aldri er for korte, men som kan være for lange. Alle bjelkene ligger an mot en vegg på den ene siden. På et bestemt tidspunkt passerer bjelkene to signalgivere a og b og en utkastersylinder U. Konstruer en pneumatisk styring som sørger for at alle bjelker som er for lange, blir kastet ut.

Figur 3.23

4

Sorteringsapparat

En signallampe på dashbordet i en bil skal lyse når føreren eller passasjeren i for­ setet ikke har spent på seg bilbeltet. Vi har disse betingelsene for at signallampen skal lyse:

-

tenningslåsen s blir betjent, og det sitter noen i førersetet, men føreren har ikke spent på seg bilbeltet det sitter noen både i førersetet og i passasjersetet ved siden av, og passasjeren har ikke spent på seg bilbeltet.

1 stolsetene og i låsen til bilbeltene er det stiftstyrte vekselkontakter. 53

Angi signalgiveme med bokstavene a til d. a Sett opp styringsformelen for den kombinatoriske koplingen for alarmen. b Tegn strømkretsskjemaet.

5

En sylinder i en presse P skal bevege seg fram og tilbake ved hjelp av en bistabil 5/2-ventil. Vi må kunne regulere hastigheten på slagene. Det utgående slaget finner sted når disse betingelsene er oppfylt: sikkerhetsskjermen må være nede, to trykknapper må være manuelt betjent, og nødstoppknappen må være ubetjent en servicemontør kan få pressen til å utføre det utgående slaget uten at sikkerhets­ skjermen er nede, men da må montøren ha nøkkelen til en nøkkelstyrt 3/2-ventil, normalt lukket Det inngående slaget finner sted når en eller flere av disse betingelsene er oppfylt: sikkerhetsskjermen blir løftet opp nødstoppknappen blir trykt inn sylinder P har fullført sitt slag a b

6

54

Sett opp formelen for styring av sylinder P. Tegn det logiske og det pneumatiske skjemaet.

Figur 3.24 viser fire styringsskjemaer. Oppgaven er å lese koplingsformlene til de forskjellige kommandoene ut av skjemaene.

1

Figur 3.24

2

Skjemaer

55

4 Sekvensielle styringer

4.1

Innledning

I forrige kapittel så vi på hvordan vi kan gi en energiomformer en kommando når en kombinasjon av betingelser er oppfylt. For dette formålet setter vi opp en kombinatorisk styringsformel. I automatiseringsteknikken er det ofte slik at en maskin blir styrt av en styringsenhet på en slik måte at energiomformere mottar kommandoer i en bestemt rekkefølge. Vi snakker om en sekvensiell styring eller følgestyring.

■

4.2

Med en sekvensiell styring mener vi en logisk enhet som gir signaler til en eller flere energiomformere i en bestemt rekkefølge.

Styringsbetingelsene

Den fastsatte rekkefølgen (sekvensen) som er nevnt i definisjonen, avhenger av styrings­ betingelsene. Dette skal vi belyse nærmere med utgangspunkt i figur 4.1. Den viser to transportbånd I og II som står vinkelrett på hverandre.

55

Bånd I mater fram bokser. Føleren x kontrollerer at det er lokk på boksene. Når en boks uten lokk blir oppdaget, blir den holdt tilbake av sylinder A og skjøvet over på bånd II av sylinder B. Styringsbetingelsene for sylindeme A og B er: Når føleren signaliserer at en boks uten lokk har passert, skal sylinder A gjøre pluss-slag. Når sylinder A har stoppet boksen, skal den skyves over på bånd II av sylinder B. Begge sylindeme går tilbake til utgangsposisjonen.

A

Styringsbetingelser for en sekvensiell styring (følgestyring)

På grunnlag av disse styringsbetingelsene setter vi opp styringsformlene som styreenheten kommanderer syiindeme med.

4.3

Bevegelsesdiagram, signaler, kommandoer og formler Når vi skal sette opp en styringsformel, bruker vi en løsningsmetode (algoritme) som vi nå skal behandle trinn for trinn. På figur 4.2 ser vi en dobbeltvirkende sylinder A. Bortenfor sylinderen ser vi tre tidslinjer 1,2 og 3. Avstanden mellom disse linjene er den samme. Dette skulle tyde på at tidsintervallene også er like. Men det behøver ikke være tilfellet. Intervallene mellom tidslinjene er avhengig av hastigheten til stempelet. Det eneste som er angitt, er at det i intervallet mellom to tidslinjer foregår en eller flere operasjoner. I vårt tilfelle gjengir tidslinjene bevegelsene til stempelet i sylinder A.

Vi ser at på tidslinje A er stempelet helt inntrykt, altså i minusposisjon. I dette tilfellet er det sylinderens hviletilstand. Etter en A+-kommando går stempelet ut til plussposisjon. Denne bevegelsen er symbolisert med skrålinjen mellom tidslinjene 1 og 2. På tidslinje 2 er stempelet helt ute. Etter en A- -kommando går stempelet inn igjen, slik at sylinde-

Figur4.2

Bevegelsesdiagram

57

Figur 4.3

Signaler

ren på tidslinje 3 er tilbake i hvilestillingen. Tidslinjene 1 og 3 er derfor like. To signal­ givere, ao og ab angir stillingen til stempelet. Se figur 4.3.1 hvilestillingen (tidslinje 1) gir a^. logisk T, mens ar, gir logisk T' i ytre stilling. De logiske verdiene som signalgiveme antar ('0' eller T), blir satt inn i et signal-tidsdiagram under bevegelsesdiagrammet. Se figur 4.3. Vi ser da i rekkefølge: På tidslinje 1 er a^ = T og aj = '0'. Umiddelbart etter tidslinje 1, og når stempelet er utgående, faller signalet a,

1 >.

Betegnelse

ra_LnjLr"i£r"LÅnljriir~lij

,

'-d— , °$

L

0 3

U — J

. 1

3pq_ r i

I

ra

Fire OG-porter med to innganger

7432

Fire ELLER-porter med to innganger

1

C*

--- ra

।

। i -G w-l |_ra

0 3

L *1 J

-1 n

7408

|_2 =i J -1 “l

(jLnXnÅnAnirTirTLr'

Figur 4.26

4.5.1

Symboler for TTL-kretser

Pinnekonfigurasjon og kopling Fra det logiske skjemaet kan vi lage et skjema hvor det er angitt hvordan den integrerte kretsen må tilkoples. Dersom vi vil utføre det logiske skjemaet i eksempel 4.3 med de IC-ene vi hittil har behandlet, må vi gjøre endringer. Se figurene 4.27 og 4.28.

Fordi vi har tilgang til en OG-port med to innganger, blir OG-funksjonen for A+-kommandoen splittet i to OG-funksjoner. Ved hjelp av symbolet for IC 7408 kan vi nå skrive inn nummeret på pinnene i det logiske skjemaet og dessuten nummeret på IC-ene. Dette kaller vi pinnekonfigurasjonen.

69

Figur 4.27

Opprinnelig skjema

Figur 4.28

Utvidet skjema med pinnekonfigurasjon

Det neste trinnet er å konstruere en kopling av pinnekonfigurasjonen slik at vi kan lage en trykt krets. Se figur 4.29.

Figur 4.29

Kopling

Når vi skal kople til signalene, må vi ta en del forholdsregler. Dette kommer vi tilbake til i kapittel 9. Eksempel 4.3

I en verktøymaskin er det tre pneumatiske sylindere. Bevegelsene er gjengitt i bevegelsesdiagrammet. a Fullfør bevegelsesdiagrammet ved å tegne inn signaler og kommandoer. b Sett opp styringsformlene som gir de nødvendige kommandoene. c Tegn deretter det logiske skjemaet, strømkretsskjemaet og det pneumatiske skjemaet.

Løsning: a Figur 4.30 viser bevegelsesdiagrammet med signaler og kommandoer.

70

1

2

3

4

5

Figur 4.30

Bevegelsesdiagram med signaler og kommandoer

b

Styringsformler: 1 A+ = a0 • b0 • s 2 B+ C+ = 3| • bg 3 C= b,-c1 4 A— B— — Cq * b ।

c

Figur 4.31 viser det logiske skjemaet, figur 4.32 strømkretsskjemaet og figur 4.33 det pneumatiske skjemaet.

A+ B+ C* c" A”

B” Figur 4.31

Logisk skjema

Figur 4.32

Strømkretsskjema

71

Figur 4.33

4.6

Pneumatisk skjema

Oppgaver

Kon trollspørsmål

1 2 3 4 5 6 8 9 10

Hva er forskjellen mellom en kombinatorisk og en sekvensiell styring? Hva mener vi med styringsbetingelser? Hva er tiden mellom to tidslinjer i et bevegelsesdiagram avhengig av? Hva mener vi med hviletilstanden til en sylinder? Hvilken innvirkning har et startsignal etter tidslinje 1? Hva mener vi med koplingstid? Hvordan bestemmer vi hvilke signaler som gir en bestemt kommando? Hva er primærsignaler? Hva mener vi med maskinvarestyringer og programvarestyringer? Hvordan skal elektriske og logiske skjemaer tegnes ifølge gjeldende normer?

Øvingsoppgaver

De bevegelsesdiagrammene som nå følger, er tegnet med utgangspunkt i styringsbeting­ elsene. Gjør de oppgavene som er gitt ved hvert bevegelsesdiagram.

72

1

Figur 4.34

Bestem koplingsformlene og tegn et pneumatisk skjema.

2

Figur 4.35

Bestem koplingsformlene og tegn et strømkretsskjema.

3

Bestem koplingsformlene og tegn et logisk skjema. 4

Figur 4.37

Bestem koplingsformlene og tegn et strømkretsskjema og et logisk skjema.

5

Figur 4.38

Bestem koplingsformlene og tegn et logisk skjema, en pinnekonfigurasjon for IC-utførelse og en kopling.

73

5 Boolsk algebra

5.1

Innledning

I de foregående kapitlene har vi behandlet styringsformler. Disse formlene er bygd opp av signaler (variabler) og funksjoner. Særlig i kombinatoriske styringsformler kan det forekomme at formlene kan forenkles. Vi antar at vi har en safedør med to nøkler. Vi stiller det kravet til låsesmeden at døra skal kunne åpnes med nøkkel a eller med nøkkel a og nøkkel b samtidig. Styringsformelen for åpning av døra blir da: K = a + a • b. Tenker vi nøye over denne formelen, ser vi at nøkkel b er overflødig. Uttrykket K = a har nøyaktig den samme logiske virkningen, men den er mye enklere. Men det er umulig å fjerne alle overflødige variabler fra en styringsformel på denne måten. Ved hjelp av boolsk algebra, som er utviklet av George Boole, er det mulig både å utvikle styrings­ formler og forenkle dem. Fordi boolsk algebra opererer med digitale signaler (0 og 1 ), bruker vi binærkoder. En binærkode er en kombinasjon av nuller og enere som har en bestemt betydning. I dette kapittelet skal vi behandle disse emnene: det binære tallsystemet og speilkoden bruk av sannhetstabeller regler og lover i boolsk algebra forenkling av styringsformler

5.2 5.2.1

74

Tallsystemer og binærkoder Det desimale tallsystemet

Vi skal begynne dette avsnittet med en kort forklaring av det desimale tallsystemet. Vi går ut fra at vi har tallet 876. Dette tallet kan vi analysere slik:

-

Sifferet 6 angir enerne, vi kan skrive 6 • 10°. Sifferet 7 angir tieme, vi kan skrive 7 • 101. Sifferet 8 angir hundrene, vi kan skrive 8 • 102. Sifferet lengst til høyre har minst ”vekt”. Vekten til sifrene øker fra høyre mot venstre med en faktor på 10, vi snakker om dekader. Alle sifrene skrives som potenser av 10, og av dette har vi navnet titallsystemet eller desimalsystemet.

Kontroll:

6 • 10° = 6 7 ■ 10’= 70 + 8 • 102 = 800 = 876

Ved siden av titallsystemet har vi systemer med andre grunntall, som det oktale systemet og det heksadesimale systemet.

Det systemet vi bruker mest i styringsteknikken, er totallsystemet eller det binære tallsystemet.

5.2.2

Det binære tallsystemet

Det binære tallsystemet har grunntallet 2, og det er bare sifrene 0 og 1 som er tillatt. Vi snakker vanligvis ikke om siffer, men om bit som er en forkortelse av binary digit som betyr binært siffer. I styringsteknikken opererer vi med to tilstander, av og på, lav og høy, eller 0 og 1. Det binære tallsystemet egner seg derfor godt til vårt bruk. Et binært tall er en kombinasjon av nuller og enere, for eksempel 1101101100. Her har også siffe­ ret lengst til høyre minst vekt. Når vi skal gjøre om et binært tall til et desimaltall, går vi fram slik det er vist nedenfor.

1101101100 ।------------ ► 0x2°= 0 ----------------------------- ► 0 x ------------------------------- > 1 x ---------------------> 1 x ---------------------------------- > 0 x ----------------------------------- ► 1 x ------------------------------------- * 1 x --------------------------------------- ► 0 x ---------------------------------------- > 1 x ------------------------------------------► 1 x

21 = 0 22 = 4 23 = 8 24 = 0 25 =. 32 26 = 64 27 = 0 28 = 256 29 = 512 ----------- H 1101101100(2) = 876(1O)

75

Indeksen i parentes angir hvilket tallsystem tallet er skrevet i. Når vi skal bruke et tall fra det desimale tallsystemet i en styring, må vi først gjøre det om til et binært tall. Det er flere måter å gjøre dette på, og vi skal se på en av dem. Metoden nedenfor er den omvendte av den vi brukte når vi skulle omforme et binært tall til et desimaltall. Vi undersøker hvilke potenser av 2 tallet inneholder, begynner med den høyeste og får skje­

maet nedenfor:

Potens av 2

Desimalt Binært

->

210 1024 0

29 512 1

28 256 1

27 128 0

26 64 1

25 32 1

24 16 0

23 8 1

22 4 1

2i

2°

2 0

1 0

876 512 «— ----- (-) 364 256 NOG-funksjon eller NOT—AND => NANDfunksjon. Se tabell 5.4. I venstre kolonne av tabellen ser vi at det logiske symbolet for denne funksjonen er bygd opp av en OG-funksjon og en IKKE-funksjon (inverterer). De to symbolene blir satt sammen til ett. Den midterste kolonnen viser pinnekonfigurasjonen for to IC-er. Spesifikasjonene i kolonnen til høyre viser at IC-ene inneholder henholdsvis fire NANDporter med to innganger og tre NAND-porter med tre innganger.

Vi kan også få NAND-porter med flere innganger, for eksempel: typenummer 7420, som inneholder to NAND-porter med fire innganger typenummer 7430, som inneholder en NAND-port med åtte innganger Tabell 5.4

NAND-symboler

Logiske symboler Fire NANDporter med to innganger

For å gjøre om en styringsformel til en NAND-koplmg bruker vi: de Morgans lover R9 og RIO og reglene RI 1 og R12 regel R13 som er svært anvendelig

Vi skal nå ved hjelp av et par eksempler forklare hvordan omformingen fra IKKE-OG-ELLER til NAND foregår.

101

Eksempel 5.7 Vi har denne styringsformelen for en kombinatorisk kopling: S = a • b • (c + d)

a b c

Gjør om denne formelen og tegn det logiske NAND-skjemaet. Eliminer parentesen (L5) og tegn det logiske NAND-skjemaet på nytt. Tegn pinnekonfigurasjonen og koplingen for den enkleste løsningen av a og b.

Løsning: a Vi må omforme ELLER-funksjonen til en OG-funksjon med de Morgans lov. Dessuten må vi dobbeltinvertere uttrykket som står i parentes.

S = a • b ■ (c + d) Vi bruker de Morgans lov.

S = a ■ b ■ c + d (vi kan ta bort parentesen forutsatt at IKKE-operatoren overtar forrangsfunksjonen til parentesen)

Det vil si: S = a•b•c■d Mellom variablene a og b og resten av formelen er det fremdeles en OG-funksjon. Den omformer vi til en NAND-funksjon ved å dobbeltinvertere hele formelen.

S = a•b•c•d Merknad: Ved første gangs invertering må vi ikke ta med variablene a og b fordi vi da ikke kan opprettholde forrangen til uttrykket i parentes. Figur 5.31 viser det logiske NAND-skjemaet.

102

Figur 5.31

NAND-porter, løsning a

Figur 5.32

NAND-porter, løsning b

b

Vi begynner med å omarbeide formelen:

S — a • b • (c + d) = a-bc + a- b- d Deretter dobbeltinverterer vi hele formelen:

S = a- b- c + a- b- d = a•b•c•a•b•d

Det logiske skjemaet er gjengitt på figur 5.32.

c

Følger vi løsningen av spørsmål a, trenger vi fem NAND-porter, mens vi greier oss med bare tre porter dersom vi bruker løsningen av spørsmål b. Dessuten krever løsning a at vi må kjøpe tre IC-er type 7400, mens vi klarer oss med en IC type 7410 med løsning b. Pinnekonfigurasjonen og koplingen er gjengitt på figur 5.33. Fordi vi ikke vet om en utilkoplet inngang (en svevende inngang) blir oppfattet som '0' eller '1', forbinder vi disse inngangene med en annen inngang på samme NAND-port (se inngangene 10og 11).

Figur 5.33

Pinnekonfigurasjon og kopling

103

Av eksempelet kan vi stille opp disse reglene for utformingen av et NAND-skjema:

-

-

Gjør først om en formel med makstermer til mintermer. Dermed sparer du inngang­ er og iblant hele IC-er. Omgjøringen til NAND-termer består i å dobbeltinvertere ledd som er forbundet med ELLER-operatoren. Forrangen som er fastlagt i utgangsformelen, må ikke brytes. Ubrukte innganger på en NAND-port (svevende innganger) må koples til en av de andre inngangene på porten.

Vi kan nå løse følgende problem, og vi går ut fra at vi har denne styringsformelen:

S = a■b•c•d Vi må nå ha to forskjellige IC-er, hvis vi da ikke kan omgjøre formelen slik at vi bare trenger NAND-porter med to innganger. Vi skiller ut en del av formelen ved å dobbelt­ invertere den: S = a•b■c■d Den formelen vi nå har fått, kan vi realisere med en IC type 7400. Vi bruker alle fire inn­ gangene på denne IC-en. Se figur 5.34.

Figur 5.34

5.10.2

NAND-kopling

NOR-koplinger

En annen mulighet for å begrense antall IC-er i en styrekopling er å bruke NOR-funksjoner. NOR er en forkortelse for den engelske betegnelsen NOT OR, det vil si IKKE ELLER. Tabell 5.5 er en oversikt over NOR-funksjonen. Det fins også her IC-er på mar­ kedet med et annet antall innganger. Uten at vi skal komme nærmere inn på det her, kan vi nevne at vi fortrinnsvis går ut fra styringsformler med makstermer. Det fører vanligvis til at vi sparer porter. Når vi skal utarbeide en styringsformel for et NOR-skjema, må vi gjøre OG-funksjoner om til ELLER-funksjoner ved dobbeltinvertering og bruk av de Morgans teorem. Vi skal vise dette med et eksempel:

104

Tabell 5.5

Tre NORporter med tre innganger

Eksempel 5.8 Vi har denne styringsformelen: L = a • (b + c • d). a Omarbeid den gitte formelen og tegn NOR-skjemaet. b Tegn pinnekonfigurasjonen og koplingen.

Løsning: a Vi dobbeltinverterer først leddet c • d og bruker de Morgans teorem:

L = a • (b + c • d) = a • (b + c + d)

Deretter inverterer vi hele formelen _ i I

_

---------

1 ~s_

L = a-(b + c + d) = a + b + c + d

Det logiske NOR-skjemaet framgår av figur 5.35.

Figur 5.35

Logisk NOR-skjema

105

Figur 5.36

b

5.11

Pinnekonfigurasjon og kopling

Figur 5.36 viser pinnekonfigurasjonen og koplingen. Også i NOR-logikk må vi forbinde svevende innganger med en av de andre inn­ gangene på samme port. Reglene for omarbeiding av styringsformler for utførelse med NOR-logikk er de samme som for NAND-logikk. Den eneste forskjellen er at vi helst går ut fra mak­ stermer.

Oppgaver

Kon tro11spørsm ål 1 2 3 4

5

106

Hva er fordelen ved å bruke NAND- eller NOR-logikk istedenfor IKKE-OG-ELLER-kretser. Hvordan kan vi kontrollere om en NAND-formel vi har kommet fram til, har samme virkning som den opprinnelige formelen? Forklar kort hvorfor vi må forbinde svevende porter med en annen inngangsport. Når en svevende port blir bearbeidet som '0' av IC-en, er det helt nødvendig å feste den. Hva skjer hvis vi ikke gjør det? Hvorfor går vi helst ut fra makstermer når vi omformer en formel til et NORskjema?

Øvingsoppga ver

1

Omarbeid styringsformlene nedenfor slik at de egner seg for konstruksjon av en NAND-kopling. a R = a + b +c b S=a + b- c + d c T = a b - (c + d) d U = c ■ (a • b + a • b)

2

Omarbeid styringsformlene nedenfor slik at de egner seg for konstruksjon av en NOR-kopling. a R = a • (b + c • d) b S = a•b + a•c c T=a + b + c- d d U = (a-b + c-d)-e

3

Tegn pinnekonfigurasjonen og koplingen for NAND-formlene nedenfor. Vi skal bruke IC 7400. a b

4

Tegn pinnekonfigurasjonen og koplingen for NOR-formlene nedenfor. Vi skal bru­ ke IC 7402. a b

5

S = a■b■c■d T = a•b•c•d

S = a + b +c T = a + b 4- c

Vi har denne formelen: U = a-b-c-d-e-b-c-e. Vi har tilgang til to IC-er, nemlig 7400 og 7410. Tegn pinnekonfigurasjonen og koplingen.

107

6 Programmerbare logiske styringer (PLS)

6.1

Innledning

Hittil har vi tatt for oss det vi kaller maskinvarestyringer. Disse styringene består i prin­ sippet av komponenter som er forbundet med hverandre på en slik måte at når en bestemt kombinasjon av signaler blir påtrykt inngangene, får vi en kommando på utgangssiden. Mangelen ved disse systemene er at når styringsformelen, og dermed funksjonen, skal endres, må hele styringen bygges om. Det kan ofte være både kompli­ sert og dyrt. Spørsmålet er da om vi ved hjelp av datamaskinen kan lage en styring som består av et program. Det er i de siste årene utviklet spesielle datamaskiner som ved hjelp av et program er i stand til å teste inngangssignalene og bruke resultatet til å gi ønskede kommandoer på utgangen. Programmet virker på samme måten som ledningene i et maskinvaresystem. Ombygningen av et system blir da bare spørsmål om å endre et program. De spesielle datamaskinene som er konstruert for logiske styringer, blir på engelsk kalt «Programmable Logic Controllers» (PLC). Det norske navnet er «program­ merbare logiske styringer» (PLS). Det er som regel denne forkortelsen som blir brukt. I dette kapittelet skal vi se på hvordan en PLS er bygd opp, og hvordan den virker. Det er mange produsenter av PLS, og dermed også mange forskjellige typer av utstyr. Vi har valgt å begrense oss til to typer av PLS, nemlig: Hitachi J-16 Mitsubishi Melsec F2-40M De to typene er vist på henholdsvis figur 6.1 og figur 6.2.

108

Figur 6.1

Figur 6.2

Hitachi J-16

Mitsubishi Melsec F2-40M

109

5V ”

24 V

Inngang

6.2

24 V

5 V

Utgang

Skille av spenninger

Virkemåten til en PLS

En PLS blir påtrykt elektriske 24 V-signaler fra signalgivere eller følere som er koplet til en maskin eller en prosess. Kommandoene fra PLS-en til hovedkoplingselementene består av elektrisk strøm med en spenning på enten 24 V eller 220 V. Denne spenningen blir levert av en ekstern spenningskilde. Den interne spenningen i PLS-en er 5 V likespenning. For å hindre at 24 V-signaler eller kommandoer trenger inn i den interne delen av PLS-en, er det et skille mellom de høye og de lave spenningene. Se figur 6.3. Dette skillet kan vi skape på en av disse måtene: mellom inngangssignalene og PLS-en ved hjelp av optokoplere mellom PLS-en og utgangskommandoene ved hjelp av skillereleer

6.2.1

Optokopleren

Skillemiddelet som en optokopler virker med, er en lysbunt. På figur 6.4 ser vi et bilde av en optokopler og et skjema hvor en signalgiver påtrykker et elektrisk signal på 24 V på den lysemitterende dioden (LED) til et optisk koplingselement.

110

Figur 6.4

Optokopler

Lysbunten blir fanget opp av en fototransistor. Den kopler en strømkrets og tilfører PLSen logisk 1 i form av 5 V.

6.2.2

Skille ved hjelp av et relé

Figur 6.5 viser et skillerelé, også kalt printrelé. Skjemaet på figuren viser skillet på utgangen av PLS-en som releet er en del av.

Prinsippet bygger på at releet kopler når det får 5 V spenning fra PLS-en. En hjelpekontakt slutter en krets på 24 V slik at en kommando går til hovedkoplingselementet.

111

6.2.3

Figur 6.6

Dataminne

Figur 6.7

Bitgrupper (bytes) og biter (bits)

Signaler og adresser

På figur 6.6 ser vi at tre signaler a. b og c blir påtrykt inngangsmodulen til PLS-en. Via optokopleme blir logisk 1 omformet til signaler med 5 V likespenning. Disse signalene blir plassert i en del av minnet til PLS-en. som vi betegner som dataminnet.

Minnet til de PLS-ene vi behandler, består av bitgrupper (bytes) som igjen består av fire eller åtte minneceller eller adresser (bits). Se figur 6.7. Bitgruppene blir nummeret. Adressene som tilhører en bitgruppe, blir også angitt med tall. Det første tallet angir hvilken bitgruppe adressen tilhører, og det andre tallet (0 til og med 7) angir hvilket bitnummer innen gruppen det dreier seg om.

Adressene eller bitnummeme stemmer med de nummeme som er angitt på inngangseller utgangsmodulen. Signalene a, b og c fra figur 6.6 blir i dette tilfellet plassert på adressene 00, 01 og 02 i dataminnet. Se figur 6.8. De utgående kommandoene blir også først plassert på et bitnummer av PLS-en. Deretter blir de brakt videre via et skillerelé.

112

07

Figur 6.8

06

05

04

03

02

01

00

Bilnummer i dataminnet

På figur 6.9 ser vi hele minnet til en PLS. Det består av: - et dataminne - et programminne Når vi vil plassere et program i et PLS-minne, har vi to muligheter: - Vi kan bruke en programmeringsenhet som er koplet direkte til PLS-en. Programmet blir da med en gang plassert i programminnet. Vi kan bruke en programmeringsenhet som er koplet til en EPROM-laster. EPROM er en forkortelse for Erasable Programmable Read Only Memory, det vil si et leselager som kan slettes. Med denne lasteren kan vi laste inn programmet i et EPROM-minne som vi deretter plasserer i PLS-en. Programmet viser seg da i programminnet.

Figur 6.10 viser programmeringsenheten og figur 6.11 EPROM-minnet.

Figur 6.10

Programmeringsenhet

113

Figur 6.11

EPROM

Når vi skal lese inn et program i minnet til en PLS via en programmeringsenhet, må vi først tilpasse styringsformelen. Vi har for eksempel behov for signalene a, b og c i sty­ ringsformelen: Q = a•b + c

Fordi en PLS bare kan bestemme innholdet i en adresse og ikke kjenner signalene a, b og c, må vi endre formelen slik at PLS-en kan lese den:

00-01 + 02 = 10 testsone t kommando beslutning Vi ser at formelen nå består av en testsone hvor verdiene er tastet inn som inngangsadresser og en kommando på adresse 10. Beslutningen blir vist med tegnet =.

6.2.4

Sentralenheten Vi har nå forklart hvordan signaler, kommandoer og programmer blir plassert i minnet til en PLS. Den delen av PLS-en hvor disse dataene blir behandlet, kaller vi sentral­ enheten. På engelsk blir den kalt CPU som er en forkortelse for Central Processing Unit. Figur 6.12 viser konfigurasjonen til en PLS. Når den er satt i drift, blir programmet fra programminnet overført til CPU-en. Den er ikke i stand til å ta imot alle dataene på en gang. De blir lest inn trinn for trinn og sammenliknet med en formel. Vi sier at en PLS virker sekvensielt.

Inngangsadressene blir derfor lest inn en og en og sammenliknet med testsonen til for­ melen. Etter at alle adressene i formelen er behandlet, beslutter PLS-en om det skal gis en kommando eller ikke. Dersom testsonen avgir logisk '1', vil likhetstegnet (=) plassere logisk Ti utgangsadressen 10. Resultatet blir kommandoen Q. 114

i.2.5

II I --- Q

Figur 6.12

Konfigurasjonen til en PLS

Hitachi J-16 PLS Hitachi J-16 PLS består av en basisenhet som er bygd opp av selve PLS-en (basic module), og en inngangsmodul (DC input) og en utgangsmodul (RY output) som begge har åtte innganger og åtte utganger.

Figur 6.13

Hitachi J-16

115

Basisenheten kan utvides med disse tilleggsmodulene: inntil 3 inngangsmoduler (til sammen 32 innganger) inntil 3 utgangsmoduler (til sammen 32 utganger) tidsenheter (timers) tellere (counters)

Basisenheten har en spenningsforsyning på 24 V som mater signalgiveme med elektrisk strøm. Lysdioder (LED) varsler om det er signaler eller ikke på inngangs- og utgangsadressene. Programmeringsenheten kan vi feste på basisenheten, og tilkoplingen skjer med en flatkabel. Se figur 6.14.

Figur 6.14

Hitachi J-16 med programmeringsenhet

Figur 6.15 viser programmeringsenheten med de forskjellige funksjonene.

I bildefeltet (display) kan vi lese av: — instruksjonsbetegnelser ORG-NOT-STR-T/C-AND-FUN-OR-OUT - behandlingsbetegnelser DATA-PROG-TEST-STEP-RUN - adressene i midtfeltet

116

Med trykktaster kan vi taste inn programmer, gjøre endringer, utvide et program osv. Med bryteren til høyre kan vi taste inn (PROG), teste (TEST) eller kjøre (RUN) programmer.

m> O*TA

fU«

ORC

OR

$T"

*0T

m «. rc mk oo r

PROGRAMMER PGMJ

C/ (

ORC>

NO)

SIR

PC

test

O

i~i i

—/

Cj

PROfi

SUP M» Ru»

9/RES I..... ,.-. 7

8/SET Lxv.-»z