- Λεπτομέρειες
- Γράφτηκε από τον/την Super User
- Κατηγορία: Συλλογή μεταφορά δεδομένων
- Εμφανίσεις: 738
|
1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ
1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Μια απλή παρατήρηση των συσκευών που βρίσκονται γύρω μας θα μας πείσει ότι όλες λειτουργούν εν μέρει ή ολικά αυτόματα, δηλαδή χωρίς την παρέμβαση του ανθρώπου. Τέτοιες συσκευές είναι το ηλεκτρικό ψυγείο, το πλυντήριο ρούχων, το θερμοσίφωνο, κ.ά. Ο αυτοματισμός στην καθημερινή ζωή έχει σκοπό να κάνει την ζωή των ανθρώπων πιο εύκολη. Συγκρίνετε π.χ. τον τρόπο πλυσίματος των ρούχων "στο χέρι" με το πλύσιμο στο ηλεκτρικό πλυντήριο.
Αυτοματισμούς μπορεί να συναντήσουμε τόσο στην καθημερινή μας ζωή, όσο και στη βιομηχανική παραγωγή, στις επιστημονικές δραστηριότητες και αλλού.
Τα συστήματα αυτοματισμού ή συστήματα αυτομάτου ελέγχου λειτουργούν χωρίς να χρειάζονται ανθρώπινη επιτήρηση ή παρέμβαση και δρουν κατά προκαθορισμένο τρόπο, ώστε να επιτευχθεί κάποιο επιθυμητό αποτέλεσμα με προκαθορισμένη ακρίβεια.
Για παράδειγμα, το σύστημα ελέγχου του κλιματιστικού μας είναι σε θέση, μετά την αρχική του ρύθμιση, να ελέγχει τη λειτουργία του κλιματιστικού μας, ώστε το άμεσο περιβάλλον μας (π.χ. η αίθουσα διδασκαλίας) να έχει σταθερή θερμοκρασία, ανεξάρτητα από τις μεταβολές της εξωτερικής θερμοκρασίας, τον αριθμό των ατόμων κ.ο.κ. και χωρίς να απαιτείται να ξαναρυθμίσουμε το σύστημα, αν δεν αλλάξει η επιθυμητή τιμή της θερμοκρασίας του άμεσου περιβάλλοντος.
Ιδιαίτερη σημασία έχουν οι αυτοματισμοί στην βιομηχανική παραγωγή. Με την αυτοματοποίηση της παραγωγής, οι επιχειρήσεις προσπαθούν να βελτιώσουν την παραγωγικότητά τους μειώνοντας ταυτόχρονα το κόστος παραγωγής. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω:
ü Εξοικονόμησης ενέργειας
ü Καλύτερης διαχείρισης των πρώτων υλών
ü Βελτίωσης της ποιότητας των προϊόντων
ü Μείωσης του κόστους εργασίας
Η ιδέα εφαρμογής συστημάτων αυτοματισμού απορρέει από την ανάγκη να απαλλαγεί ο άνθρωπος από εργασίες επικίνδυνες ή ιδιαίτερα κοπιαστικές. Με τον καιρό όμως επεκτάθηκε σε όλες σχεδόν τις δραστηριότητες της παραγωγικής διαδικασίας, αφού με τα συστήματα αυτοματισμού επιτυγχάνεται μεγαλύτερη ακρίβεια, λιγότερα σφάλματα και μικρότερο κόστος παραγωγής. Έτσι, τα συστήματα αυτοματισμού υποκατέστησαν τον άνθρωπο σε μεγάλο βαθμό στην παραγωγική διαδικασία. Σήμερα λειτουργούν βιομηχανίες, όπου στην παραγωγική διαδικασία η αυτοματοποίηση ξεπερνά το 95%.
Στις διάφορες επιστημονικές και ερευνητικές δραστηριότητες (διαστημικά ταξίδια, έρευνα σε μεγάλα θαλάσσια βάθη) απαιτείται ιδιαίτερα μεγάλη ακρίβεια ενεργειών και αποφυγή σφαλμάτων, κάτι που ο άνθρωπος δύσκολα μπορεί να επιτύχει. Και εδώ οι διαδικασίες αυτοματισμού έδωσαν λύσεις προωθώντας σημαντικά την επιστήμη και την τεχνολογία.
Στο κεφάλαιο αυτό θα παρουσιασθούν οι βασικές έννοιες που σχετίζονται με τη λειτουργία ενός συστήματος αυτοματισμού, διάφοροι τύποι και κατηγορίες αυτοματισμού και θα περιγραφεί ένα απλό σύστημα αυτοματισμού. Ιδιαίτερη προσοχή θα δοθεί στις μονάδες, από τις οποίες αποτελείται ένα σύστημα αυτοματισμού, και στον ρόλο της κάθε μονάδας κατά τη λειτουργία του.
1.2 Ιστορική εξέλιξη του αυτοματισμού
Συστήματα και διαδικασίες αυτοματισμού φαίνεται ότι είχαν επινοηθεί από την αρχαιότητα. Σαν πρώτη συσκευή αυτοματισμού μπορεί να θεωρηθεί ο ρυθμιστής του Ήρωνος του Αλεξανδρέως (περί το 130 π.Χ.). Ο ρυθμιστής αυτός είχε κατασκευαστεί κατά τέτοιο τρόπο, ώστε με το άναμμα φωτιάς στο βωμό που βρισκόταν μπροστά από ένα ναό, άνοιγε η πύλη του. Η λειτουργία του βασιζόταν σε ένα πρωτόλειο πνευματικό σύστημα (δηλαδή ένα σύστημα που δούλευε με την δύναμη του ατμού), που βρισκόταν στο έδαφος και με το οποίο μετακινιόταν η πύλη του ναού, με την βοήθεια ζεστού αέρα.
Αλλά, ενώ κατά την αρχαιότητα φαίνεται να έχουν κατασκευαστεί αρκετές ''αυτόματες'' μηχανές, στα κατοπινά χρόνια δεν έχουμε σημαντική πρόοδο στον τομέα αυτό. Από το 18ο αιώνα αρχίζει ξανά η έρευνα πάνω σε θέματα αυτοματισμών, με κυριότερη ανακάλυψη τον πρώτο φυγοκεντρικό ρυθμιστή ταχύτητας, που εφαρμόστηκε στον έλεγχο της ταχύτητας των ατμομηχανών.
Όλες αυτές οι κατασκευές βασίστηκαν στο ταλέντο και στην εμπειρία των εφευρετών και στερούνταν θεωρητικής μαθηματικής βάσης. Το κενό αυτό το καλύπτουν οι Maxwell (1868) και Vyshnegradski (1876), που δημιούργησαν μαθηματικά μοντέλα, κυρίως για το ρυθμιστή του Watt. Από την εποχή αυτή και μετά τα συστήματα αυτομάτου ελέγχου που κατασκευάζονται βασίζονται στην αναγκαία θεωρητική μελέτη. Το 1934 εμφανίζεται η έννοια της ανατροφοδότησης (feedback), της τροφοδοσίας δηλαδή της εισόδου ενός συστήματος με ένα σήμα που εξαρτάται από την έξοδο του συστήματος, το οποίο ‘προστίθεται‘ στο σήμα εισόδου.Η δυνατότητα αυτορύθμισης, που προκύπτει με τον τρόπο αυτό, έδωσε σημαντική ώθηση στην ανάπτυξη συστημάτων αυτοματισμού. Έτσι, από το δεύτερο παγκόσμιο πόλεμο και μετά έχουμε ραγδαία εξέλιξη τόσο στη θεωρία, όσο και στην κατασκευή των συστημάτων αυτοματισμού. Εισάγεται η θεωρία των Συστημάτων Αυτομάτου Ελέγχου (ΣΑΕ) και αναπτύσσονται διάφορες μέθοδοι θεωρητικής σχεδίασης ελεγκτών.
Η ανάπτυξη της μικροηλεκτρονικής έδωσε νέα ώθηση στον τομέα του αυτοματισμού, αφού κατασκευάστηκαν σύνθετα συστήματα μετρήσεων και ελέγχου, με ιδιαίτερα μικρό όγκο. Τέλος η ανάπτυξη τεχνικών για την επεξεργασία της πληροφορίας και την λήψη αποφάσεων, όπως τα νευρωνικά δίκτυα, η τεχνητή νοημοσύνη και τα έμπειρα συστήματα, έδωσαν την δυνατότητα δημιουργίας αυτοματισμών με υψηλό βαθμό ευφυΐας.
1.3 Δομή συστήματος αυτοματισμού
Στο Σχήμα 1.3.1 διακρίνουμε ένα σύστημα, το οποίο συμβολίζεται με ένα πλαίσιο. Το σύστημα αυτό αντιστοιχεί στο πρότυπο (μοντέλο) μιας διαδικασίας (ή ελεγχόμενο σύστημα) (plant) και εμφανίζεται να δέχεται μια ή περισσότερες διεγέρσεις (εισόδους) και να δίνει μια ή περισσότερες αποκρίσεις (εξόδους).
Σχήμα 1.3.1. Απεικόνιση συστήματος
Το βασικό πρόβλημα του αυτοματισμού είναι η σχεδίαση κατάλληλης διάταξης, η οποία, όταν επιδρά στο σύστημα, να δίνει για συγκεκριμένη (γνωστή) είσοδο μια προκαθορισμένη έξοδο. Η διάταξη αυτή ονομάζεται ελεγκτής (controller). Έτσι το Σχήμα 1.3.1 τροποποιείται όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.3.2.
Σχήμα 1.3.2. Απεικόνιση συστήματος αυτοματισμού
Ετσι, μία μονάδα αυτοματισμού αποτελείται (συνολικά) από την είσοδο, τον ελεγκτή και το ελεγχόμενο σύστημα, προκειμένου να δημιουργηθεί η επιθυμητή έξοδος-αποτέλεσμα. Να σημειώσουμε ότι ο ελεγκτής προϋποθέτει την ύπαρξη κάποιων στοιχείων, στα οποία θα επιδράσει και τα οποία ρυθμίζουν τις λειτουργίες εκείνες του ελεγχόμενου συστήματος που εξασφαλίζουν την επιθυμητή έξοδο. Τα στοιχεία αυτά ονομάζονται ενεργοποιητές (actuators). Επίσης στο σύστημα είναι απαραίτητα κάποια στοιχεία μέτρησης που ονομάζονται αισθητήρια (sensors), και θα δίνουν την κατάσταση των μεγεθών, από τα οποία εξαρτάται το σύστημα. Έτσι, εάν π.χ. επιδιώκουμε να ελέγξουμε τη στάθμη σε μια δεξαμενή, εκτός από τη δεξαμενή και τον ελεγκτή θα υπάρχουν και τα αισθητήρια που μετρούν την στάθμη του νερού, καθώς και ηλεκτροβάνες (ενεργοποιητές) στις οποίες επιδρά ο ελεγκτής και ρυθμίζουν την ποσότητα νερού, που εισέρχεται ή εξέρχεται από τη δεξαμενή.
σχήμα 1.3.3. Ελεγχος στάθμης δεξαμενής
Το σήμα εισόδου του κυκλώματος προέρχεται από ένα ή περισσότερα αισθητήρια, δηλαδή διατάξεις που είναι ευαίσθητες σε μεταβολές διαφόρων φυσικών μεγεθών (σήματα) και αντιδρούν σ’αυτές παράγοντας ηλεκτρικό, κατά κανόνα, σήμα. Μια σημαντική περίπτωση είναι όταν κάποιο από τα αισθητήρια βρίσκεται στο χώρο εξόδου και επηρεάζεται από το αποτέλεσμα. Τότε έχουμε μία λειτουργία που ονομάζεται ανατροφοδότηση- ΑΤ (feedback), όπου η έξοδος του συστήματος επηρεάζει την λειτουργία του ελεγκτή. (Στο σχήμα 1.3.2 η γραμμή Α/Τ φαίνεται με διακεκομμένη γραμμή) και το σύστημα ονομάζεται κλειστό ή σύστημα κλειστού βρόχου (closedloopsystem). Αν αντίθετα δεν υπάρχει η λειτουργία αυτή και η λειτουργία του ελεγκτή είναι ανεξάρτητη της εξόδου του συστήματος, τότε το σύστημα ονομάζεται ανοικτό σύστημα ή σύστημα ανοικτού βρόχου (openloopsystem). Περισσότερα γι αυτά όμως θα πούμε στο 6ο κεφάλαιο.
Ένα παράδειγμα κλειστού συστήματος αποτελεί το θερμοσίφωνο. Σαν ελεγχόμενο σύστημα θεωρείται το τμήμα της συσκευής που ζεσταίνει το νερό και σαν ελεγκτής ο θερμοστάτης. Είσοδος του συστήματος είναι το ηλεκτρικό ρεύμα και έξοδος η θερμοκρασία του νερού. Ο θερμοστάτης παρακολουθεί την θερμοκρασία του νερού (έξοδος) και όταν αυτή γίνει μικρότερη από μια επιθυμητή τιμή επιτρέπει το ηλεκτρικό ρεύμα (είσοδος) να φτάσει στην αντίσταση που θερμαίνει το νερό. Όταν η θερμοκρασία ξεπεράσει κάποια δεδομένη τιμή, ο θερμοστάτης αποκόπτει την τροφοδοία της αντίστασης. Βλέπουμε λοιπόν ότι η είσοδος του συστήματος επιρεάζεται από την έξοδό του.
Παράδειγμα ανοικτού συστήματος αποτελεί το ηλεκτρικό πλυντήριο. Εδώ ελεγχόμενο σύστημα είναι το πλυντήριο και ελεγκτής ο ‘’εγκέφαλός’’ του. Είσοδοι του συστήματος είναι η ποσότητα του απορυπαντικού, η ποσότητα του νερού που θα χρησιμοποιηθεί και το ηλεκτρικό ρεύμα ενώ έξοδος είναι η καθαρότητα των ρούχων. Η μονάδα που ονομάζουμε ‘’εγκέφαλο’’ οδηγεί το πλυντήριο σε μια σειρά από λειτουργίες (πλύσιμο, στύψιμο, κ.λ.π.) σε χρονική σειρά, χωρίς όμως να εξετάζει τα αποτελέσματά τους. Αν δηλαδή τα ρούχα δεν πλύθηκαν καλά, δεν πρόκειται να αλλάξει κάτι στην σειρά των λειτουργιών που εκτελεί. Δηλαδή η έξοδος δεν επιρεάζει την είσοδο του συστήματος.
1.4 Απλά και σύνθετα συστήματα αυτοματισμού.
Ένας αυτοματισμός, σχεδόν πάντα, μπορεί να πραγματοποιηθεί με περισσότερους από έναν τρόπους. Κάθε τρόπος μεταφέρει κάποιο βαθμό "ευφυΐας". Έτσι έχουμε λιγότερο ή περισσότερο ευφυείς αυτοματισμούς.
Έστω ότι θέλουμε ένα κύκλωμα φωτισμού να ενεργοποιείται τη νύκτα και να σβήνει την ημέρα. Ένας απλός τρόπος είναι να χρησιμοποιήσουμε σαν κύκλωμα ελέγχου ένα χρονοδιακόπτη. Με τον τρόπο αυτό η λειτουργία των λαμπτήρων θα ελέγχεται για χρονική περίοδο μιας ημέρας και τελικά θα ανάβουν για κάποιο συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Ένας δεύτερος τρόπος είναι να χρησιμοποιήσουμε έναν φωτοδιακόπτη. Στη περίπτωση αυτή το κύκλωμα ελέγχου ενεργοποιεί τους λαμπτήρες, όταν ο φωτισμός του χώρου πέσει κάτω από μια επιθυμητή στάθμη. Είναι προφανές ότι με την πρώτη μέθοδο το αποτέλεσμα που θα έχουμε δεν θα είναι το καλύτερο δυνατό, αφού η χρονική διάρκεια της νύχτας δεν είναι ίδια όλες τις εποχές οι ίδιες. Αντίθετα με την δεύτερη μέθοδο το κύκλωμα αυτοματισμού "αντιλαμβάνεται" πότε νυχτώνει και "αντιδρά", ενεργοποιώντας το κύκλωμα φωτισμού.
Η ευφυΐα ενός αυτοματισμού εξαρτάται αφ' ενός από τα αισθητήρια που χρησιμοποιούνται στην είσοδο, αφ' ετέρου από την επεξεργασία της πληροφορίας, που αυτά δίνουν, για τη λήψη της τελικής απόφασης. Οι σημερινοί αυτοματισμοί ξεκινούν από χαμηλό βαθμό ευφυίας και φθάνουν σε ιδιαίτερα υψηλό βαθμό, με τη χρήση πολύπλοκων αισθητηρίων και σύνθετων τεχνικών επεξεργασίας και λήψης αποφάσεων, όπως είναι τα νευρωνικά δίκτυα και η τεχνητή νοημοσύνη. Ακριβώς η ύπαρξη τέτοιας διαδικασίας λήψης αποφάσεων, με βάση τα ερεθίσματα που μεταφέρουν τα αισθητήρια, διαφοροποιεί έναν απλό (συνήθως χρονικό) από έναν "έξυπνο" αυτοματισμό.
Σκοπός ενός αυτοματισμού είναι να αντιλαμβάνεται καταστάσεις όπως ο άνθρωπος και να αντιδρά όπως αυτός, εξαλείφοντας την περίπτωση σφάλματος.
1.4.1. Ευφυή αισθητήρια
Με τον όρο ¨ευφυές αισθητήριο" προσδιορίζεται ένα αισθητήριο που έχει τα εξής χαρακτηριστικά:
- Ψηφιακή έξοδο, δηλαδή σήμα με διακριτές χρονικά τιμές και με προκαθορισμένες στάθμες τάσης, το οποίο είναι, συνήθως, κατάλληλο να τροφοδοτήσει τις εισόδους ψηφιακού ηλεκτρονικού υπολογιστή.
- Αμφίδρομη επικοινωνία, δηλαδή έχει τη δυνατότητα να δίνει σήματα πληροφορίας (ανάλογα με τις τιμές των μετρούμενων φυσικών μεγεθών) και να δέχεται εντολές που σχετίζονται με τη λειτουργία του.
- Δυνατότητα προσπέλασης σε συγκεκριμένη θέση μνήμης του ψηφιακού συστήματος, με το οποίο είναι συνδεδεμένο.
- Δυνατότητα εκτέλεσης εντολών και λογικών ενεργειών, οι οποίες διαβιβάζονται σ’αυτό από το ψηφιακό σύστημα (κάποιου είδους ηλεκτρονικό υπολογιστή), με το οποίο είναι συνδεδεμένο.
Επιπλέον, είναι επιθυμητό να περιλαμβάνει εξελιγμένες λειτουργίες, όπως:
- Αντιστάθμιση δευτερευουσών παραμέτρων (όπως θερμοκρασία), δηλαδή τρόπους εξουδετέρωσης των επιπτώσεων των μεταβολών αυτών των παραμέτρων στην ομαλή λειτουργία του.
- Ανίχνευση λάθους, δηλαδή δυνατότητα αντίληψης περί της ορθής λειτουργίας και διάγνωσης μιας πιθανής απόκλισης απ’αυτήν.
- Αυτοέλεγχο, δηλαδή δυνατότητα αυτοκαθορισμού των τιμών των διαφόρων ιδιοτήτων του, με βάση πληροφορίες ή επιδράσεις του περιβάλλοντος.
Οι λειτουργίες αυτές επιτυγχάνονται είτε με την ενσωμάτωση ηλεκτρονικών κυκλωμάτων στο πακέτο του αισθητηρίου, είτε με την κατασκευή του αισθητηρίου και του αναγκαίου ηλεκτρονικού κυκλώματος στο ίδιο κομμάτι ημιαγωγού.
Τα αισθητήρια εξελίχθηκαν μέσα από διαδοχικές γενεές. Η πρώτη γενεά δεν είχε ηλεκτρονικό κύκλωμα. Η δεύτερη είχε ηλεκτρονικά κυκλώματα, χωριστά όμως από το υπόλοιπο αισθητήριο. Στην τρίτη γενεά, που αφορά τά σημερινά αισθητήρια, στην κατασκευή του αισθητηρίου συνυπάρχει και ηλεκτρονικό κύκλωμα (τουλάχιστον για ενίσχυση του σήματος). Η έξοδος των αισθητηρίων αυτών είναι αναλογικό ηλεκτρικό σήμα και η πληροφορία που μεταφέρουν βρίσκεται είτε στην τάση, είτε στην ένταση, είτε στη συχνότητα του σήματος. Το σήμα αυτό μετατρέπεται σε ψηφιακό στη μονάδα επεξεργασίας.
Τα αισθητήρια τέταρτης γενεάς, που κατασκευάζονται σήμερα, περιλαμβάνουν τα ηλεκτρονικά και τα ψηφιακά ηλεκτρονικά συστήματα στο ίδιο κομμάτι ημιαγωγού με το αισθητήριο, δίνοντας στο αισθητήριο τη δυνατότητα αμφίπλευρης επικοινωνίας με τον υπολογιστή. Τέλος στα αισθητήρια πέμπτης γενεάς, που ήδη σχεδιάζονται, η μετατροπή των δεδομένων γίνεται στο αισθητήριο, οπότε η αμφίπλευρη επικοινωνία αισθητηρίου και υπολογιστή είναι ψηφιακή. Τα αισθητήρια αυτά περιέχουν τρία βασικά κυκλώματα : α) κύκλωμα επεξεργασίας του σήματος (ενίσχυση, φιλτράρισμα, πολυπλεξία) β) κύκλωμα ψηφιοποίησης του σήματος γ) κύκλωμα προσαρμογής, ώστε τα αισθητήρια να επικοινωνούν με έναν ελεγκτή χωρίς τη μεσολάβηση άλλου κυκλώματος (interface)
