Τίτλος Άσκησης: Ακολουθιακή λογική A. Πρόβλημα: Μια ηλεκτρική κατανάλωση Q ενεργοποιείται, όταν πιεσθούν δύο μπουτόνς S1, S2 επαφής “κανονικά ανοιχτής” ( S1, S2 να πιέζονται μαζί ) και απενεργοποιείται όταν αφήσουμε και τα δύο μπουτόνς. Η ηλεκτρική κατανάλωση τροφοδοτείται από ένα ηλεκτρονόμο ισχύος Κ1Μ. Να γραφεί πρόγραμμα για PLC με το οποίο να ελέγχεται η λειτουργία της κατανάλωσης Q Πραγματικό Πρόβλημα: Φ ανταστείτε ότι πρέπει να σχεδιάσετε το σύστημα ελέγχου μιας θύρας ασφαλείας που ανοίγει μόνο όταν και τα δύο κουμπιά (S1 και S2) πατηθούν ταυτόχρονα, και παραμένει κλειστή όταν κανένα δεν είναι πατημένο. Στις περιπτώσεις που πατηθεί μόνο ένα κουμπί, η θύρα πρέπει να κρατά την προηγούμενη κατάσταση. Πρόκειται δηλαδή για εφαρμογή της ακολουθιακής λογικής, αφού η έξοδος εξαρτάται από το ιστορικό κατάστασης. Σημαντικό: Η έξοδος μπορεί να διατηρεί την προηγούμενη κατάσταση όταν πατηθεί μόνο ένα κουμπί. Πραγματικές εφαρμογές Συστήματα ασφαλείας σε μηχανές Για να ξεκινήσει μια βιομηχανική μηχανή, πρέπει να πατηθούν και τα δύο κουμπιά από τον χειριστή (διπλή εντολή). Αν πατηθεί μόνο ένα, η μηχανή δεν ξεκινά. Αυτό αποτρέπει ατυχήματα. Έλεγχος θυρών ασφαλείας (security doors) Η πόρτα ανοίγει μόνο αν πατηθούν δύο κουμπιά ταυτόχρονα (π.χ. έλεγχος πρόσβασης από δύο διαφορετικά άτομα). Αν πατηθεί ένα μόνο κουμπί, η πόρτα δεν αλλάζει κατάσταση. Στρατιωτικά / βιομηχανικά συστήματα με “dual control” Χρησιμοποιείται σε κρίσιμα συστήματα (π.χ. εκτόξευση, ενεργοποίηση επικίνδυνου εξοπλισμού). Απαιτείται ταυτόχρονη ενέργεια από δύο χειριστές για λόγους ασφαλείας. Έλεγχος ανελκυστήρων / ανελκυστήριων φορτίων Η πλατφόρμα λειτουργεί μόνο αν πατηθούν ταυτόχρονα δύο κουμπιά (π.χ. χειριστής + επιθεωρητής). Αν απελευθερωθούν και τα δύο, η πλατφόρμα σταματά. Συστήματα εκκίνησης κινητήρων Εκκίνηση μεγάλων κινητήρων (π.χ. γεννήτριες, αντλίες) με διπλό κουμπί για αποφυγή λανθασμένης ενεργοποίησης. Αυτόματοι συναγερμοί / πυρασφάλεια Ενεργοποίηση συναγερμού μόνο όταν δύο ανιχνευτές (π.χ. καπνού + θερμοκρασίας) ενεργοποιηθούν ταυτόχρονα. Μειώνει τα ψευδώς θετικά σήματα. Ιατρικός εξοπλισμός Ενεργοποίηση ακτινολογικών μηχανημάτων μόνο όταν πατηθούν δύο διακόπτες από τον χειριστή, για λόγους ασφάλειας και ελέγχου. Δηλαδή η βασική ιδέα είναι ότι τέτοια ακολουθιακά κυκλώματα χρησιμοποιούνται σε περιβάλλοντα όπου απαιτείται ασφάλεια, έλεγχος από δύο σημεία ή αποφυγή λαθών. Σε αυτή την άσκηση θα έρθουμε σε μια πρώτη επαφή με ακολουθιακά κυκλώματα. Όταν λέμε ότι ένα κύκλωμα είναι ακολουθιακό σημαίνει ότι η έξοδο του δεν εξαρτάται μόνο από τις εισόδους του αλλά και από την προηγούμενη κατάσταση της εξόδου του. Μοιάζει δηλαδή το κύκλωμα να έχει μνήμη - να θυμάται την προηγούμενη κατάσταση της εξόδου του και να την λαμβάνει υπόψη του. Διαβάστε την εκφώνηση και σκεφτείτε: • Τι γίνεται αν πατηθεί και τα δύο κουμπιά; • Τι συμβαίνει αν κανένα κουμπί δεν είναι πατημένο; • Αν πατηθεί μόνο το S1 ή μόνο το S2, εξαρτάται η έξοδος από την προηγούμενη κατάσταση; Διερευνητική ερώτηση: “Στην κατάσταση εισόδων 1,0 ή 0,1, η έξοδος Q...; Μπορεί να διατηρεί την προηγούμενη τιμή;” Γράψτε την υπόθεσή σας καθώς και μια σύντομη εξήγηση. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. Η συγκεκριμένη άσκηση αποτελεί ένα απλό παράδειγμα ακολουθιακού κυκλώματος. Σκεφτείτε το εξής: Όταν πιέσω και τα δυο μπουτόν S1 και S2 (κατάσταση εισόδων 1, 1), προφανώς η κατανάλωση θα ενεργοποιηθεί (κατάσταση εξόδου 1) ενώ όταν δεν πιέσω τα δυο μπουτόν S1 και S2 (κατάσταση εισόδων 0, 0), προφανώς η κατανάλωση θα απενεργοποιηθεί (κατάσταση εξόδου 0). Το κρίσιμο ερ’ωτημα έχει να κάνει στην περίπτωση που έχω πατημένο το ένα από τα δύο μπουτόν S1 και S2 (κατάσταση ειδσόδων 1, 0 ή 0,1). ‘Αραγε θα ενεργοποιηθεί η έξοδος (κατάσταση εξόδου 1) ή θα απενεργοποιηθεί (κατάσταση εξόδου 0); Μήπως η κατάσταση της εξόδου θα εξαρτηθεί από την προηγούμενη κατάσταση της; Δηλαδή αν είνα πατημένα και τα δυο μπουτόν (κατάσταση εισόδων 1, 1)και αφήσω το ένα από τα δύο (κατάσταση εισόδων 0,1 ή 1,0), δεν θα συνεχίσει παραμείνει ενεργοποιημένη η έξοδος (κατάσταση εξόδου 1); Ενώ αν δεν είχα πατημένο κανένα μπουτόν (κατάσταση εισόδων 0, 0) και πατήσω το ένα από τα δύο (κατάσταση εισόδων 0,1 ή 1,0), δεν θα συνεχίσει να είναι απενεργοποιημένη η έξοδος (κατάσταση εξόδου 0); Άρα στην κατάσταση εισόδων 1, 0 ή 0, 1 η έξοδος μπορεί να είναι ενεργοποιημένη (κατάσταση εξόδου 1) ή απενεργοποιημένη (κατάσταση εξόδου 0). Παρατηρώ ότι για τον συνδυασμό εισόδων (0,1) και (1, 0) δεν υπάρχει μόνο μια τιμή εξόδου - αφού η έξοδος μπορεί να πάρει τιμή είτε 0 είτε 1. Σε αντίθετη περίπτωση - όταν δηλαδή για κάθε δυνατό συνδυασμό εισόδων υπήρχε μόνο ένας συνδυασμός εξόδων - το κύκλωμα θα ονομάζονταν συνδυαστικό. Αν όμως εισάγουμε και ως τρίτη είσοδο την προηγούμενη κατάσταση της εξόδου και την ονομάσουμε Q΄ τότε όταν η κατάσταση εισόδων S1, S2, Q΄ αντιστοιχεί σε 0, 1, 1 ή 1, 0, 1 τότε η έξοδος αντιστειχεί σε 1. Ενώ όταν η κατάσταση εισόδων S1, S2, Qt αντιστοιχεί σε 0, 1, 0 ή 1, 0, 0 τότε η έξοδος αντιστειχεί σε 0. Επειδή στα ακολουθιακά κυκλώματα η προηγούμενη κατάσταση της εξόδου επηρεάζει την επόμενη, θα πρέπει να θεωρούμε την προηγούμενη κατάσταση της εξόδου ως είσοδο της επόμενης κατάστασης της εξόδου. Άρα, στα ακολουθιακά κυκλώματα, όταν σχεδιάζουμε τον πίνακα αληθείας θα πρέπει να λαμβάνουμε υπόψη μας ως είσοδο και την προηγούμενη κατάσταση της εξόδου. Β. Επίλυση της Εφαρμογής Β1. Χαρακτηρισμός εισόδων και εξόδων του PLC Για την άσκηση θα χρησιμοποιήσουμε δυο μπουτόν start ως εισόδους και μια κατανάλωση η οποία θα τροφοδοτείται από τις κύριες επαφές ηλεκτρονόμου. Πως χαρακτηρίζονται στον κλασσικό αυτοματισμό και πως θα συμβολιστούν στο PLC; Προσπαθήστε να τα αποτυπώσετε στον παρακάτω πίνακα. Στη συνέχεια συμπληρώστε τον ακόλουθο πίνακα αληθείας. Προσπαθήστε για κάθε συνδυασμό εισόδων να αποφασίσετε την κατάσταση της εξόδου. Υπενθυμίζουμε ότι όταν από το μπουτόν περνάει ρεύμα θεωρούμε ότι η κατάσταση του είναι 1 ενώ όταν δεν περνάει ρεύμα από το μπουτόν, η κατάσταση του είναι 0. Επίσης όταν η έξοδος είναι ενεργοποιημένη, η κατάσταση του είναι 1 ενώ όταν η έξοδος δεν είναι ενεργοποιημένη, η κατάσταση του είναι 0. Τέλος, με Qt χαρακτηρίζουμε την προηγούμενη κατάσταση της εξόδου ενώ με Q την παρούσα κατάσταση της εξόδου. Β2. Πίνακας αληθείας Στη συνέχεια εξάγετε την μαθηματική εξίσωση από τον πίνακα αληθείας. Υπενθυμίζουμε ότι μας ενδιαφέρουν οι συνδυασμοί εισόδων που δίνουν έξοδο 1. Β3. Μαθηματική Εξίσωση Q = Ι 1 * Ι 2 * Qt + Ι 1 * Ι 2 * Qt΄ + Ι 1 * Ι 2 ΄ * Qt + Ι 1 ΄ * Ι 2 * Qt Υπενθύμιση: το σύμβολο (*) συμβολίζει την πύλη AND, το σύμβολο (+) συμβολίζει την πύλη OR και το σύμβολο ( ‘ ) συμβολίζει την πύλη NOT Τέλος συμπληρώστε τον πίνακα Karnaugh, απλοποιήστε την εξίσωση και γράψτε το αντίστοιχο πρόγραμμα λειτουργίας αυτοματισμού σε οποιαδήποτε γλώσσα επιθυμείτε. Β4. Απλοποίηση με πίνακα Karnaugh Β5. Απλοποιημένη Εξίσωση Α Περίπτωση Q = Ι 1 * Ι 2 + Ι 2 * Qt + Ι1 * Qt Β Περίπτωση (Κοινός Παράγοντας το Ι 2 ) Q = Ι 2 (Ι 1 + Qt) + Ι1 * Qt Γ Περίπτωση (Κοινός Παράγοντας το Qt) Q = Ι 1 * Ι 2 + Qt (Ι 2 + Ι1) Β6. Πρόγραμμα λειτουργίας του αυτοματισμού Αναπτύξτε τον αλγόριθμο (σε Ladder, FBD και STL βασισμένο στην υπόθεσή σας. Κύριος κανόνας: αν και τα δύο κουμπιά πατηθούν --> Q = 1. Αν κανένα πατημένο --> Q = 0. Στις περιπτώσεις (1,0) ή (0,1) → Q παραμένει όπως ήταν (“μνήμη”). Α Περίπτωση Β Περίπτωση Γ Περίπτωση Σημείωση: για να θυμηθείτε πως σχεδιάζονται τα κυκλώματα αυτοματισμού μπορείται να ακολουθήσετε τον ακόλουθο σύνδεσμο: Σχεδίση Κυκλωμάτων PLC Γ. Συνδεσμολογία Δ. ΕΦΑΡΜΟΓΗ Δοκιμάστε τον κώδικά σας στο πραγματικό PLC ή σε προσομοιωτή Ε. ΑΝΑΣΤΟΧΑΣΜΟΣ Συγκρίνετε τις υποθέσεις με τα αποτελέσματα. Τι άλλαξε; Τι μάθατε για την ακολουθιακή λογική; Πώς η κατάσταση της εξόδου εξαρτάται από το παρελθόν (αναστοχασμός στην έννοια της “μνήμης”); ΣΤ. ΕΠΕΚΤΑΣΗ – Προαιρετικό Μπορείτε να εξετάσετε το εξής: Αν προσθέσουμε κάποιον μηχανισμό reset ή set με βάση χρονική καθυστέρηση, πώς επηρεάζεται η “μνήμη” του κυκλώματος; Σχεδιάστε μια βελτιωμένη λογική με flip-flop ή latch για πιο στιβαρό έλεγχο. Ζ. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ Όπως έχετε καταλάβει, η έξοδος ενός ακολουθιακού κυκλώματος εξαρτάται από την προηγούμενη κατάσταση της. Για παράδειγμα, στην άσκηση που πραγματοποιήσαμε, το αποτέλεσμα του αυτοματισμού, όταν το ένα μπουτόν είναι ανοικτό και το άλλο κλειστό (κατάσταση 0,1) εξαρτάται από την προηγούμενη κατάσταση της εξόδου. Αν δηλαδή προηγουμένως τα δυο μπουτόν ήταν ανοικτά (κατάσταση 0,0), με αποτέλεσμα η έξοδος να είναι ανενεργή (κατάσταση 0) τότε αν πατηθεί μόνο το ένα από τα δυο μπουτόν, η έξοδος θα παραμείνει ανενεργή (κατάσταση 0) Αν όμως προηγουμένως τα δυο μπουτόν ήταν κλειστά (κατάσταση 1,1), με αποτέλεσμα η έξοδος να είναι ενεργή (κατάσταση 1) τότε αν πατηθεί μόνο το ένα από τα δυο μπουτόν (κατάσταση 1,0 ή 0,1), η έξοδος θα παραμείνει ενεργή (κατάσταση 1) Άρα στην κατάσταση εισόδων 0,1 ή 1,0 το αποτέλεσμα της εξόδου εξαρτάται από την προηγούμενη κατάσταση της εξόδου.

Τι ακριβώς εννοούμε όταν αναφερόμαστε στην προηγούμενη κατάσταση της εξόδου; Ουσιαστικά η προηγούμενη κατάσταση της εξόδου επιδρά ως είσοδος στην τωρινή χρονική στιγμή, ώστε σε συνδυασμό με τις υπόλοιπες εισόδους, να μας δώσει την τωρινή κατάσταση της εξόδου Θα μπορούσαμε να πούμε ότι ο αυτοματισμός διαθέτει μνήμη αφού θυμάται την προηγούμενη κατάσταση της εξόδου

Το γεγονός ότι η έξοδος Q συνδέεται ως είσοδος στις πύλες δείχνει ότι το κύκλωμα διαθέτει μνήμη, δηλαδή “θυμάται” την προηγούμενη κατάσταση της εξόδου. Αυτό σημαίνει ότι το κύκλωμα είναι ακολουθιακό, αφού η κατάσταση της εξόδου εξαρτάται από την προηγούμενη κατάσταση της.

Προσοχή: Και οι τρεις περιπτώσεις είναι λογικά ισοδύναμες, δηλαδή ίδιοι συνδυασμοί εισόδων μας δίνουν το ίδιο αποτέλεσμα και για τις τρεις περιπτώσεις. Αυτό είναι αναμενόμενο αφού και οι τρεις περιπτώσεις αναφέρονται στον ίδιο πίνακα αληθείας.

Πόσες και ποιες πύλες πιστεύετε ότι περιλαμβάνει η συγκεκριμένη μαθηματική εξίσωση;

Πόσες πύλες περιλαμβάνουν οι μαθηματικές εξισώσεις κάθε περίπτωσης; Αποδεικνύεται ότι και οι τρεις περιπτώσεις είναι καλύτερες σε σχέση με την αρχική; Ποιό αποτέλεσμα από τα τρία θα προτιμούσατε; Με βάση ποιο κριτήριο κάνατε την επιλογή σας;

Ποιος/ποιοι συνδυασμοί του Πίνακα Αληθείας δείχνουν ότι ο αυτοματισμός είναι Ακολουθιακός;

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΩΝ

Σκοπός τη Άσκησης: μετά την ολοκλήρωση της Άσκησης ο μαθητής θα είναι σε θέση να: 1. Γνωστικοί Στόχοι (Γνώσεις) ορίζει την έννοια της ακολουθιακής λογικής όταν του ζητηθεί σε γραπτή άσκηση, με ακρίβεια 100% στη διατύπωση του ορισμού. εξηγεί τη διαφορά μεταξύ συνδυαστικής και ακολουθιακής λογικής, απαντώντας σε ερώτηση πολλαπλής επιλογής, με ποσοστό επιτυχίας τουλάχιστον 80%. περιγράφει τον ρόλο της μνήμης στα ακολουθιακά κυκλώματα, σε προφορική συζήτηση στην τάξη, με τουλάχιστον 2 παραδείγματα καθημερινών εφαρμογών. κατασκευάζει πίνακα αληθείας για απλό ακολουθιακό κύκλωμα, χρησιμοποιώντας δεδομένα εισόδων, χωρίς λάθος σε πάνω από το 90% των περιπτώσεων. αναγνωρίζει τις εισόδους και εξόδους ενός PLC σε ακολουθιακή λειτουργία, σε δοσμένο διάγραμμα, με ακρίβεια τουλάχιστον 90%. συγκρίνει διαφορετικούς τύπους ακολουθιακών κυκλωμάτων (π.χ. latch, flip-flop), σε γραπτή άσκηση σύγκρισης, αναφέροντας τουλάχιστον 2 ομοιότητες και 2 διαφορές. ερμηνεύει το διάγραμμα Ladder ενός απλού ακολουθιακού κυκλώματος, δίνοντας λεκτική περιγραφή της λειτουργίας του, με ακρίβεια τουλάχιστον 80%. προβλέπει την κατάσταση εξόδου Q σε διαφορετικούς συνδυασμούς εισόδων, όταν του δοθεί διάγραμμα, με τουλάχιστον 4/5 σωστές απαντήσεις. αναγνωρίζει λάθη σε λογικά κυκλώματα ακολουθιακού τύπου, ελέγχοντας προσομοίωση, εντοπίζοντας τουλάχιστον το 70% των σφαλμάτων. συνδέει τη θεωρία της ακολουθιακής λογικής με πραγματικές εφαρμογές αυτοματισμών, αναφέροντας τουλάχιστον 3 πρακτικά παραδείγματα στη συζήτηση στο τέλος του μαθήματος. 2. Συναισθηματικοί Στόχοι (Στάσεις) εκδηλώνει ενδιαφέρον για τη διερεύνηση της λειτουργίας των κυκλωμάτων, συμμετέχοντας ενεργά στη συζήτηση, με τουλάχιστον 1 ερώτηση ή σχόλιο ανά μάθημα. συνεργάζεται αποτελεσματικά με τα μέλη της ομάδας του κατά την εκτέλεση του πειράματος στο εργαστήριο, τηρώντας τους κανόνες συνεργασίας στο 100% των δραστηριοτήτων. δείχνει υπευθυνότητα στη χρήση του εξοπλισμού PLC, αποφεύγοντας επικίνδυνες ή απρόσεκτες ενέργειες καθ’ όλη τη διάρκεια της άσκησης. 3. Ψυχοκινητικοί Στόχοι (Δεξιότητες) συνδέει σωστά το πειραματικό κύκλωμα PLC με δύο εισόδους και μία έξοδο, σε 10 λεπτά, χωρίς λάθος συνδέσεις. εισάγει και να αποθηκεύει πρόγραμμα σε PLC, ακολουθώντας συγκεκριμένες οδηγίες, χωρίς σφάλματα στη μεταφορά. τροποποιεί τον κώδικα Ladder ενός κυκλώματος, ώστε να αλλάζει τη λογική λειτουργία (π.χ. από AND σε OR), μέσα σε 15 λεπτά και με επιτυχία στο 90% των δοκιμών. εκτελεί προσομοίωση του κυκλώματος σε περιβάλλον PLC software, παρατηρώντας τις αλλαγές εξόδων, χωρίς λάθη στη διαδικασία προσομοίωσης. ελέγχει πρακτικά τη λειτουργία της εξόδου Q μέσω δοκιμαστικών εισόδων (πατώντας S1, S2), και να καταγράφει τις παρατηρήσεις με πληρότητα τουλάχιστον 90%.

Αν θέλουμε να δουλέψουμε με την μέθοδο Project Φάσεις του Project 1. Διερεύνηση Συζητήστε στην ομάδα: Τι σημαίνει «η έξοδος εξαρτάται από την προηγούμενη κατάσταση»; Σε ποιες εφαρμογές της καθημερινότητας βλέπουμε τέτοιες λογικές (π.χ. ανελκυστήρες, συναγερμοί, πόρτες ασφαλείας); Σημειώστε τις ιδέες σας σε ένα φύλλο καταγραφής. 2. Σχεδιασμός Κατασκευάστε τον πίνακα αληθείας για τις εισόδους (S1, S2) και την έξοδο (Q). Σχεδιάστε το αντίστοιχο διάγραμμα Ladder ή FBD στο χαρτί. Εξηγήστε πώς περιμένετε να λειτουργεί το κύκλωμα. 3. Υλοποίηση Προγραμματίστε το PLC (ή τον προσομοιωτή) ώστε να αναπαράγει τη λειτουργία. Δοκιμάστε όλους τους πιθανούς συνδυασμούς εισόδων. Καταγράψτε τις παρατηρήσεις σας σε πίνακα: S1 S2 Κατάσταση πριν Q (αναμενόμενο) Q (πραγματικό) Σχόλια 4. Αξιολόγηση – Αναστοχασμός Συγκρίνετε τα αποτελέσματα με τις υποθέσεις σας. Ποια δυσκολία συναντήσατε; Τι μάθατε για την έννοια της «μνήμης» σε ακολουθιακά κυκλώματα; 5. Παρουσίαση Κάθε ομάδα ετοιμάζει σύντομη παρουσίαση (5 λεπτά) με: τον πίνακα αληθείας, το διάγραμμα Ladder, στιγμιότυπα ή περιγραφή από την υλοποίηση, τα συμπεράσματά της. Κριτήρια Αξιολόγησης Συμμετοχή και συνεργασία (20%) Ορθότητα πίνακα αληθείας και διαγράμματος (20%) Ορθότητα υλοποίησης στο PLC (30%) Σαφήνεια παρουσίασης και επιχειρηματολογία (20%) Αναστοχασμός και προτάσεις βελτίωσης (10%)