Από την περιγραφή λειτουργίας στο πρόγραμμα PLC: Πώς σχεδιάζουμε ένα λογικό κύκλωμα; Κεντρικό διερευνητικό ερώτημα Πώς μπορούμε να μετατρέψουμε μια πραγματική απαίτηση λειτουργίας σε πίνακα αληθείας, λογική εξίσωση και πρόγραμμα PLC που λειτουργεί σωστά σε κάθε δυνατό συνδυασμό εισόδων; Πρόβλημα-αφετηρία Σε έναν χώρο εργαστηρίου υπάρχει ένας ανεμιστήρας εξαερισμού. Ο ανεμιστήρας πρέπει να λειτουργεί όταν: • ανιχνεύεται υψηλή θερμοκρασία ή • ανιχνεύεται καπνός, αλλά μόνο όταν ο διακόπτης ασφαλείας είναι ενεργοποιημένος. Οι μαθητές δεν παίρνουν έτοιμη λογική εξίσωση. Καλούνται να ανακαλύψουν: • ποιες είναι οι είσοδοι, • ποια είναι η έξοδος, • πόσες καταστάσεις πρέπει να εξεταστούν, • σε ποιες καταστάσεις πρέπει να λειτουργεί ο ανεμιστήρας, • πώς μετατρέπεται η απαίτηση σε πρόγραμμα PLC. Αντιστοίχιση μεταβλητών Οι ομάδες προτείνουν πρώτα τη δική τους αντιστοίχιση και στη συνέχεια τη συγκρίνουν με την ακόλουθη: Πρώτη πρόβλεψη Πριν συμπληρώσουν τον πίνακα, οι μαθητές απαντούν: Διερευνητική ερώτηση 1: Μπορεί να λειτουργήσει ο ανεμιστήρας όταν I3 = 0; Διερευνητική ερώτηση 2: Τι πρέπει να συμβεί όταν I1 = 1 και I2 = 0; Διερευνητική ερώτηση 3: Τι πρέπει να συμβεί όταν I1 = 0 και I2 = 1; Διερευνητική ερώτηση 4: Τι συμβαίνει όταν I1 = 1 και I2 = 1; Διερευνητική ερώτηση 5: Ποια είσοδος έχει ρόλο γενικής άδειας λειτουργίας; Οι απαντήσεις καταγράφονται ως υποθέσεις και δεν διορθώνονται αμέσως. Φάση Α — Αναγνώριση αιτίου και αποτελέσματος Οι μαθητές ταξινομούν τα παρακάτω: • αισθητήρας θερμοκρασίας, • επαφέας ανεμιστήρα, • αισθητήρας καπνού, • διακόπτης ασφαλείας, • ενδεικτική λυχνία, • κινητήρας ανεμιστήρα. Διερευνητική ερώτηση 6: Ο κινητήρας είναι έξοδος του αυτοματισμού. Είναι όμως απαραίτητα απευθείας έξοδος του PLC; Αναμενόμενο συμπέρασμα: Το PLC συνήθως ελέγχει το πηνίο ενός επαφέα ή άλλου ενδιάμεσου στοιχείου. Δεν τροφοδοτεί απευθείας έναν κινητήρα μεγάλης ισχύος. Φάση Β — Πόσες καταστάσεις πρέπει να εξεταστούν; Υπάρχουν τρεις είσοδοι: k=3 Επομένως: 2 3 = 8 Οι μαθητές καλούνται να δημιουργήσουν μόνοι τους τις οκτώ καταστάσεις. Κρίσιμο ερώτημα: Αν παραλείψουμε έναν συνδυασμό, μπορούμε να είμαστε βέβαιοι ότι το πρόγραμμα είναι σωστό; Το ερώτημα συνδέει τον πίνακα αληθείας με τη συστηματική δοκιμή του προγράμματος. Φάση Γ — Κατασκευή πίνακα αληθείας Οι μαθητές συμπληρώνουν αρχικά τη στήλη Q1 χωρίς να χρησιμοποιήσουν λογική εξίσωση. Φάση Δ — Εξαγωγή λογικής εξίσωσης Οι μαθητές εξετάζουν μόνο τις γραμμές στις οποίες Q1 = 1. Για κάθε γραμμή σχηματίζουν έναν όρο AND: Q1= I1 ‘  I2  I3 + I1  I2 ‘  I3 + I1  I2  I3 Διερευνητική ερώτηση 7: Γιατί χρησιμοποιούμε μόνο τις γραμμές με Q1 = 1; Διερευνητική ερώτηση 8: Γιατί οι μεταβλητές κάθε γραμμής συνδέονται με AND (); Διερευνητική ερώτηση 9: Γιατί οι διαφορετικές γραμμές συνδέονται μεταξύ τους με OR (+); Διερευνητική ερώτηση 10: Γιατί το I1 = 0 γράφεται ως I1 ‘ ; Διερευνητική ερώτηση 11: Τι λάθος θα προκύψει αν παραλείψουμε την αντιστροφή μιας εισόδου; Φάση Ε — Πρώτη υλοποίηση στο PLC Οι ομάδες κατασκευάζουν το πρόγραμμα χωρίς απλοποίηση. Σε μορφή LADDER απαιτούνται τρεις παράλληλοι κλάδοι: • NOT I1 AND I2 AND I3, • I1 AND NOT I2 AND I3, • I1 AND I2 AND I3. Όλοι οι κλάδοι ενεργοποιούν την Q1. Πειραματικός έλεγχος Οι μαθητές δοκιμάζουν και τους οκτώ συνδυασμούς και καταγράφουν: • την κατάσταση των εισόδων, • την κατάσταση της Q1, • αν συμφωνεί με τον πίνακα, • πιθανό λάθος του προγράμματος. Κανόνας επαλήθευσης Ένα πρόγραμμα δεν θεωρείται σωστό επειδή λειτούργησε σε μία περίπτωση. Πρέπει να επαληθευτεί σε όλους τους προβλεπόμενους συνδυασμούς. Φάση ΣΤ — Αναζήτηση απλούστερης λύσης Ο εκπαιδευτικός παρουσιάζει δύο προγράμματα: Πρόγραμμα Α Η πλήρης εξίσωση με τους τρεις όρους. Q1= I1 ‘  I2  I3 + I1  I2 ‘  I3 + I1  I2  I3 Πρόγραμμα Β Q1= (I1 + I2)  I3 Οι μαθητές δεν ενημερώνονται αμέσως ότι είναι ισοδύναμα. Πρόκληση: Μπορούν δύο διαφορετικά προγράμματα να δίνουν ακριβώς την ίδια λειτουργία; Οι ομάδες: • Προβλέπουν αν τα προγράμματα είναι ισοδύναμα. • Δημιουργούν πίνακα αληθείας για το καθένα. • Τα προσομοιώνουν. • Συγκρίνουν τα αποτελέσματα. • Διατυπώνουν συμπέρασμα. Απλοποιημένη μορφή Q1=(I1 + I2)  I3 Σε LADDER: • οι επαφές I1 και I2 τοποθετούνται παράλληλα, • η I3 τοποθετείται σε σειρά, • στο τέλος τοποθετείται το πηνίο Q1. Φάση Ζ — Διερεύνηση με πίνακα Karnaugh Οι μαθητές μεταφέρουν τις μονάδες του πίνακα αληθείας στον χάρτη Karnaugh. Διερευνούν: • ποιες μονάδες είναι γειτονικές, • ποιες ομάδες μπορούν να δημιουργηθούν, • ποιες μεταβλητές αλλάζουν μέσα σε μια ομάδα, • ποιες μεταβλητές παραμένουν σταθερές, • γιατί μια μεταβλητή που αλλάζει απαλείφεται. Διερευνητική ερώτηση 12: Γιατί προτιμάμε τη μεγαλύτερη δυνατή ομάδα; Διερευνητική ερώτηση 13: Επιτρέπεται μια μονάδα να συμμετέχει σε περισσότερες από μία ομάδες; Διερευνητική ερώτηση 14: Θεωρούνται γειτονικές η πρώτη και η τελευταία στήλη; Διερευνητική ερώτηση 15: Αλλάζει η λειτουργία μετά την απλοποίηση; Διερευνητική ερώτηση 16: Πώς μπορούμε να το αποδείξουμε πειραματικά; Κρίσιμο πείραμα — Το σκόπιμα λανθασμένο πρόγραμμα Ο εκπαιδευτικός δίνει την εξίσωση: Q1=I1 + I2  I3 Η εξίσωση αυτή δεν είναι ίδια με: Q1=(I1+I2)  I3 Διερευνητικό ερώτημα 7: Υπάρχει συνδυασμός στον οποίο το λανθασμένο πρόγραμμα ενεργοποιεί τον ανεμιστήρα χωρίς άδεια ασφαλείας; Οι μαθητές πρέπει να εντοπίσουν τον κατάλληλο συνδυασμό: • I1 = 1, • I2 = 0, • I3 = 0. Στη λανθασμένη εξίσωση προκύπτει Q1 = 1. Συμπέρασμα: Η θέση των παρενθέσεων και η σειρά των λογικών πράξεων μπορούν να αλλάξουν πλήρως τη λειτουργία και την ασφάλεια ενός αυτοματισμού. Διάγνωση βλαβών Κάθε ομάδα λαμβάνει ένα λανθασμένο πρόγραμμα. Βλάβη Α — Παράλειψη της I3 Ο ανεμιστήρας λειτουργεί χωρίς άδεια ασφαλείας. Βλάβη Β — I1 και I2 σε σειρά Ο ανεμιστήρας λειτουργεί μόνο όταν ενεργοποιηθούν και οι δύο αισθητήρες. Βλάβη Γ — Λανθασμένη αντιστροφή της I3 Ο ανεμιστήρας λειτουργεί όταν ο διακόπτης ασφαλείας είναι απενεργοποιημένος. Βλάβη Δ — Λανθασμένη διεύθυνση Το πρόγραμμα χρησιμοποιεί την I4 αντί της I3. Βλάβη Ε — Λανθασμένη έξοδος Το πρόγραμμα ενεργοποιεί την Q2 αντί της Q1. Οι μαθητές συμπληρώνουν: Προκλήσεις επέκτασης Επέκταση Α — Λειτουργία με λογική NOT Μια λυχνία βλάβης Q2 πρέπει να ενεργοποιείται όταν η άδεια ασφαλείας I3 χαθεί: Q2= I3 ‘ Οι μαθητές εξηγούν γιατί χρησιμοποιείται η λογική NOT. Επέκταση Β — Δύο συνθήκες ταυτόχρονα Ο ανεμιστήρας πρέπει να λειτουργεί μόνο όταν ανιχνεύονται ταυτόχρονα υψηλή θερμοκρασία και καπνός: Q1=I1  I2  I3 Οι μαθητές συγκρίνουν τη νέα λειτουργία με την αρχική. Επέκταση Γ — Χειροκίνητη λειτουργία Προστίθεται η είσοδος I4 για χειροκίνητη εντολή: Q1 = (I1+ I2 + I4)  I3 Οι μαθητές υπολογίζουν ότι τώρα απαιτούνται: 2 4 =16 συνδυασμοί. Επέκταση Δ — Συναγερμός Αν υπάρξει ταυτόχρονα υψηλή θερμοκρασία και καπνός, ενεργοποιείται η Q2: Q2=I1  I2 Επέκταση Ε — Χρονική καθυστέρηση Ο ανεμιστήρας ενεργοποιείται μόνο εάν η συνθήκη λειτουργίας διαρκέσει περισσότερο από 5 δευτερόλεπτα. Οι μαθητές διερευνούν γιατί ένας απλός πίνακας αληθείας δεν περιγράφει πλήρως ένα κύκλωμα που εξαρτάται από τον χρόνο. Ερωτήσεις αναστοχασμού • Ποιο βήμα θεωρείτε σημαντικότερο: ο πίνακας αληθείας, η εξίσωση ή η δοκιμή; • Μπορεί μια σωστή λογική εξίσωση να μεταφερθεί λανθασμένα στο LADDER; • Μπορούν δύο διαφορετικά LADDER να έχουν τον ίδιο πίνακα αληθείας; • Γιατί η απλοποίηση μειώνει την πολυπλοκότητα του προγράμματος; • Πώς αποδεικνύεται ότι η απλοποιημένη εξίσωση είναι ισοδύναμη με την αρχική; • Τι αλλάζει όταν προστεθεί χρονική καθυστέρηση; • Τι αλλάζει όταν χρησιμοποιηθεί SET–RESET; • Αρκεί η λογική του PLC για την ασφάλεια μιας πραγματικής εγκατάστασης; • Ποια σφάλματα δεν μπορεί να εντοπίσει ένας πίνακας αληθείας; • Ποιος συνδυασμός εισόδων αποτελεί την καλύτερη δοκιμή ασφαλείας; Φύλλο τελικού συμπεράσματος Οι μαθητές συμπληρώνουν: Για να σχεδιάσουμε ένα κύκλωμα αυτοματισμού με PLC, αρχικά ____________________. Στη συνέχεια δημιουργούμε ____________________, στον οποίο εξετάζουμε ____________________. Από τις γραμμές στις οποίες η έξοδος είναι 1, εξάγουμε ____________________. Η εξίσωση μπορεί να απλοποιηθεί με ____________________. Τέλος, σχεδιάζουμε το πρόγραμμα και το ελέγχουμε ____________________. Αναμενόμενο συμπέρασμα Για να σχεδιάσουμε ένα κύκλωμα αυτοματισμού με PLC, αναγνωρίζουμε πρώτα τις εισόδους, τις εξόδους και τις απαιτήσεις λειτουργίας. Κατασκευάζουμε τον πίνακα αληθείας και εξετάζουμε όλους τους δυνατούς συνδυασμούς εισόδων. Από τις γραμμές με έξοδο 1 εξάγουμε τη λογική εξίσωση, την οποία μπορούμε να απλοποιήσουμε με άλγεβρα Boole ή πίνακα Karnaugh. Στη συνέχεια μεταφέρουμε τη λογική σε LADDER ή FBD και επαληθεύουμε πειραματικά ότι το πρόγραμμα λειτουργεί σωστά σε κάθε προβλεπόμενη κατάσταση. Το σημαντικότερο στοιχείο δεν είναι απλώς να λειτουργήσει η έξοδος, αλλά να λειτουργεί μόνο όταν πρέπει και να παραμένει απενεργοποιημένη σε όλες τις υπόλοιπες περιπτώσεις.

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΩΝ

Μαθησιακοί στόχοι Με την ολοκλήρωση της δραστηριότητας οι μαθητές θα μπορούν: Γνώσεις  Να διακρίνουν τις μεταβλητές εισόδου από τις μεταβλητές εξόδου.  Να εξηγούν τη σημασία των λογικών καταστάσεων 0 και 1.  Να υπολογίζουν τους δυνατούς συνδυασμούς εισόδων με τον τύπο: N=2 k  Να εξάγουν λογική εξίσωση από πίνακα αληθείας.  Να αναγνωρίζουν τις πράξεις AND, OR και NOT.  Να εξηγούν τον σκοπό της απλοποίησης με πίνακα Karnaugh. Δεξιότητες  Να μετατρέπουν μια λεκτική περιγραφή σε πίνακα αληθείας.  Να σχεδιάζουν πρόγραμμα σε LADDER ή FBD.  Να προσομοιώνουν όλους τους συνδυασμούς εισόδων.  Να εντοπίζουν λάθη στη λογική λειτουργίας.  Να συγκρίνουν δύο διαφορετικά προγράμματα που υλοποιούν την ίδια λειτουργία. Στάσεις  Να τεκμηριώνουν τις επιλογές τους.  Να συνεργάζονται στη διερεύνηση ενός προβλήματος.  Να μην αποδέχονται ένα πρόγραμμα ως σωστό χωρίς έλεγχο.  Να κατανοούν ότι η απλοποίηση δεν πρέπει να αλλάζει τη λειτουργία του αυτοματισμού.