AUTOMATIONSTEKNIK
JÖRGEN JOHNSSON NIVÅ 1
INNEHÅLL
1. AUTOMATIONSTEKNIK –
Automation i hemmet 10
Automation i fabriken 12
Elektromekaniska automationssystem 14
Pneumatiska automationssystem 14
Hydrauliska automationssystem 14
Elektriska automationssystem 14
Fördjupning – Maskininlärning och artificiell intelligens (AI) 15
2. STYRNING MED LOGISKA
FUNKTIONER 16 AND-funktion 18 OR-funktion 19 NOT-funktion 20
Sammansatta funktioner 21
Övriga logiska funktioner 23 NAND-funktionen 23
23
24
Räknarfunktionen
Logisk styrning av bensinpumpar
28 Binära talsystemet 28 Hexadecimala talsystemet 29
3. GRUNDERNA I ELLÄRA 30
Likström och växelström 31
Storhet, mätetal, enhet och prefix 32
Elektrisk laddning, ledare och isolator 33 Potential och spänning 35
skyddar
Spänningsnivåer 66
5. DIGITALTEKNISKA BEGREPP OCH GRUNDKOMPONENTER 70
Sammankoppling av resistorer
Kirchhoffs strömlag
spänningslag 43
Multimetern – spännings-, ström- och resistansmätning 44
Energi och effekt
Fördjupning – Historisk utveckling inom ellära och elektroteknik
4. DIGITAL ELEKTRONIK 49
Låt oss börja från början
6. ELMEKANISKA
GRUNDKOMPONENTER 98
Strömställare
8. PROGRAMMERBAR STYRNING 139
Styrsystem 141
Inbyggda styrsystem 142
Industriella styrsystem 142
Fastighetsautomation och smarta hem 143
PLC-styrning 144
Övervakning av en villa med ett PLC 144
Programmering av styrsystem 146
AND-funktionen 147
OR-funktionen 149
NOT-funktionen 149
Programmet till larmsystemet 1 150
Programmet till larmsystemet 2 151
Fler funktioner 152
NAND-funktionen 152
NOR-funktionen 152
Minnesfunktioner – SET och RESET 153
Delay 154
Counter 155
Programmet till larmsystemet 3 156
Operatörssystem 157
Cybersäkerhet 158
Fördjupning – Styrtekniska programmeringsmisstag 159
9. SENSORER 160
Analoga och digitala sensorer 162
AD/DA-omvandlare 164
Olika typer av sensorer 164
Gränslägessensorer 164
Induktiva och kapacitiva sensorer 165
Anslutning av sensorer 167
Trådtöjningssensorer – lastceller 167
Optiska sensorer 168
Olika schemasymboler för sensorer 168
Temperatursensorer 169
Termostat 170
Andra typer av sensorer 171
Visionsystem 171
Rörelsedetektor 171
Fuktsensor 172
Tryckvakt 172
Flödessensor 172
Gassensor 172
Accelerometern – sensorn som räddar liv 173
10. PNEUMATIK 174
Att styra med luft –pneumatiska styrsystem 175
Pneumatiska cylindrar 177
Dubbelverkande cylinder 177
Enkelverkande cylinder 178
Skyttelcylindern 178
Vridcylindern 179
Ejektorn 179
Fördjupning – Pneumatiska eller elektriska system? 180
Teknisk matematik 180
Pneumatiska ventiler 182
Stryp-/backventil 184
Elstyrda ventiler 185
Ett pneumatiskt projekt 186
Pneumatiskt schema 187
Elschema 187
Följddiagram 188
Funktionsblocksdiagram 188
Ladderdiagram 189
Fördjupning – Hydraulik 189
11. ELEKTRISKA DRIVSYSTEM –MOTORSTYRNING 190
Några olika motortyper 191
Verkningsgrad 191
Likströmsmotorn 192
Borstlös likströmsmotor 193
Växelströmsmotorn – asynkronmotorn 193
Servomotorn 194
Stegmotorn 195
Energieffektivisering 195
Inkoppling av en asynkronmotor 196
Frekvensomriktaren –en hastighetsregulator 197
12. KOMMUNIKATION OCH INDUSTRIELLA NÄTVERK 201
Olika produktionsnivåer 204
Industriella gränssnitt
Seriell kommunikation
Paritetskontroll
Industriella bussar
13. REGLERTEKNIK 213
14. INDUSTRIELLA
15. SERVICE-
16. ARBETSMILJÖ
DIGITALTEKNISKA BEGREPP
OCH GRUNDKOMPONENTER
Inom den digitala elektroniken finns ett antal grundkomponenter, s.k. byggblock som man behöver förstå för att kunna skapa digitala apparater, styr- och automationssystem.
I det här kapitlet går vi bland annat igenom komparatorn, avkodaren, multiplexern, vippor, minneskretsar, räknare och de mycket viktiga grundkomponenterna mikroprocessorn och mikrokontrollern och undersöker hur de i grunden är uppbyggda.
Som du såg i det förra kapitlet är det fullt möjligt att bygga upp de flesta digitala apparater med enbart den logiska NAND-funktionen. Istället för att konstruera alla apparater från grunden vid varje tillfälle, med enbart NANDgrindar, har man utvecklat ett antal färdiga logiska byggblock för att man ska kunna konstruera och programmera digitala apparater både snabbare, säkrare och mer tillförlitligt. De byggblock som man ofta använder är avkodare, multiplexrar, minnen, komparatorer, räknare, och mikroprocessorer, för att nämna några. Innan vi börjar studera dessa kretsar, ska vi titta på var man kan hitta några av de vanligaste digitala byggblocken i en modern villa.
Inuti en elektronisk äggklocka i köket sitter en monostabil vippa som håller reda på tiden. Man startar timern i äggklockan genom en kort triggpuls med startknappen och efter en inställd tid kommer vippan att slå om och klockan att ringa.
I de digitala kretsarna i larmet sitter bl.a. en komparator som jämför kod man knappar in på en knappsats med den korrekta koden som nns lagrat i dess minne.
En väderstation med en sändare utomhus och en mottagare inomhus på väggen (med display). En multiplexer fungerar ungefär som en telefonväxel och skickar olika signaler för bearbetning över en och samma ledning mellan sändaren och mottagaren. Väderstationen kan t.ex. växelvis visa signaler för temperatur, vindstyrka, lufttryck och vindriktning.
I en digitalbox vid TV:n sitter en avkodare (decoder) som omvandlar en digital signal från antennen eller kabel TV-nätet till en signal som TV:n förstår.
I datorn nns massvis med digitaltekniska grundkomponenter: Mikroprocessorer, minnen, skiftregister, avkodare etc. Genom datorns mjukvara kan många digitaltekniska funktioner realiseras med kommandon direkt i programkoden.
KOMPARATORN
I många digitala apparater behöver man kontrollera och jämföra om två binära tal är lika. Det kan t.ex. vara i ett kodlås i ett trapphus där en inställd kod i apparatens minne ska jämföras med den kod som man knappar in på knappsatsen. Är koderna lika kommer komparatorn att ge en binär etta på utgången, vilket exempelvis kan få en elektromagnet att ”dra” och öppna dörren.
En komparator jämför binära tal med varandra. Är dessa signaler lika, dvs. om A = B, kommer komparatorn att ge ifrån sig en digital ”etta” vilket får elektromagneten i låset att ”dra” och dörren att öppna.
En av de allra enklaste komparatorerna man känner till är XNOR-funktionen. I denna funktion är utsignalen hög enbart i de fall då de bägge insignalerna A och B är lika. En XNOR-funktion är en inverterad XOR-funktion.
En XNOR-funktion är en av de enklaste komparatorerna man känner till. Enligt sanningstabellen är utgången hög enbart i de fall då insignalerna A och B är lika.
Som du förstår är det inte särskilt svårt att knäcka en kod till ett kodlås med enbart en digital bit. Lite svårare blir koden att komma på om man kopplar ihop två stycken XNOR-funktioner och en AND-funktion. Då får man en komparator för två bitar, som du kan se i bilden nedan. Som du ser i sanningstabellen längre ner är utsignalen F en digital ”etta” endast i de fall då A1 – A0 = B1 – B0
Med tre logiska grindar får man en komparator för två logiska bitar, A
Genom att ansluta fler logiska grindar till ett större kombinatoriskt nät kan man bygga upp en komparator för fler digitala bitar. I bilden nedan ser du hur en komparator för fyra logiska bitar kan se ut. Förutom att kontrollera om talen är lika, har man möjlighet att undersöka vilket av de binära talen som är störst, A eller B.
En komparator med två ingångar, A och B för fyra binära signaler, kan se ut som i bilden på föregående sida. Undersök hur signalerna blir efter varje logisk funktion i det fall då A = 1011 (11) och B = 0101 (5). Stämmer det?
Kombinatoriska nät ritar du som du lärde dig i kapitel 4. Först gör du en tabell, därefter skriver du upp det matematiska uttrycket , och sist ritar du kombinatoriska nätet .
Som nämndes tidigare i boken är det ett näst intill omöjligt projekt att bygga upp alla digitala kretsar med enbart de logiska grundfunktionerna. Tidigt insåg man att man måste standardisera och utveckla digitala byggblock som kunde sättas samman på olika sätt i digitala apparater. En komparator av det slag som visas i bilden på föregående sida finns t.ex. som en enskild komponent med beteckningen 74HC85. Komparatorn finns även som en programmerbar funktion i programvaran till ett styrsystem.
Bokstavsbeteckningen, t.ex. HC, visar vilken typ av kretsar komponenten är uppbyggd av. HC betyder High Speed C-MOS . Andra beteckningar är bl.a. TTL (Transistor–Transistor Logic) och HCT (High speed C-MOS med TTLnivåer).
Vissa kombinatoriska kretsar används ofta. Dessa har fått egna namn och finns att köpa som enskilda komponenter. En komparator för att jämföra 2 st 4-bitars tal har t.ex. beteckningen 74HC85.
På internet finns datablad och ytterligare information för IC-kretsar och komponenter. De digitala byggblocken i det här kapitlet finns inte enbart som IC-kretsar utan även som byggblock i de flesta mjukvarubaserade styrsystem.
Blockschemat och symbolen för en 4-bitars komparator. I symbolen kan du även se att det tillkommit tre ingångar: >/G1, =/G2 och </G3 (ben 2, 3 och 4). Dessa ingångar är s.k. kaskadingångar, vilka används då flera kretsar ska kopplas samman. Denna teknik återkommer vi till längre fram i boken.
AVKODARE
En avkodare är en krets eller ett program som översätter data från en form till en annan och används i många sammanhang inom digitaltekniken. I mobiltelefoner och datorer används exempelvis avkodare för att avkoda ljudfiler från ett komprimerat MP3-format till ljud som våra öron kan uppfatta. På engelska kallas en avkodare för demultiplexer eller decoder och kretsen har alltid fler utgångar än ingångar.
Avkodare används bl.a. i programvaran i en mobiltelefon för att t.ex. översätta ljud, bild och videosignaler från en typ till en annan, exempelvis från MP3 till WMA eller från PNG till JPEG.
Hur en enkel avkodare som omvandlar ett tvåbitars binärt tal till ett decimaltal kan vara uppbyggd kan du se i bilden nedan. De binära talen 00, 01, 10 och 11 på ingångarna A och B översätts och aktiverar var sin egen utgång, F0 –F3. I exemplet aktiveras utgång F2 då det binära talet 102 = 210 läggs på ingången.
Utgångar i decimal form
A
En 2–4-avkodare (två-till-fyra-avkodare) har två ingångar och fyra utgångar. I exemplet är utgång F 2 låg när det decimala talet 2 läggs på ingången. Denna låga nivå skulle t.ex. kunna tända en lysdiod kopplad i strömsänkande logik.
Precis som tidigare bygger man sällan upp avkodare med enbart NANDgrindar från början, utan tar hjälp av ett färdigt byggblock. Ett sådant byggblock är t.ex. kretsen 74LS138. Om du är intresserad och ska konstruera något med enbart IC-kretsar som byggblock finns all information och datablad på internet.
KOMMUNIKATION OCH INDUSTRIELLA NÄTVERK
I ett hem och i industriella miljöer används kommunikation för att styra maskiner och processer och för att samla in olika typer av produktionsdata. I det här kapitlet går vi igenom vad kommunikation handlar om, industrins signaler och gränssnitt och vilka standarder för kommunikation man kan stöta på i ett automationssystem.
I din närmiljö finns många exempel på hur apparater utbyter information och kommunicerar med varandra. En dator kan t.ex. kommunicera med en server, en mobiltelefon med en basstation och ett wifi-nätverk, och en fjärrkontroll med en TV-apparat.
En trådlös rörelsesensor i grovköket kommunicerar med larmcentralen med hjälp av radiovågor.
Ett lokalt trådlöst nätverk gör att man kan ansluta en bärbar dator, digtalkamera eller en skrivare var man än be nner sig.
Med en mobiltelefon kan man kommunicera trådlöst med ljud, text och bild. Signalen skickas mellan mobiltelefonen och basstationen över 4G- och 5G-nätet.
Redundans är ett vanligt och viktigt begrepp inom industriell automation. Redundans byggs in i olika system för att man bl.a. ska öka tillförlitligheten och undvika stillestånd i produktionen. Redundans innebär rent teknisk att man exempelvis dubblerar styrsystem, I/O-enheter, sensorer, nätverk etc. Går ett system sönder tar det andra automatiskt över utan att det blir ett driftsavbrott. Som jämförelse kan nämnas motorredundansen i ett trafikflygplan, där det i de flesta fall finns två jetmotorer, men där det bara behövs en motor för att hålla planet i luften.
Med en ärrkontroll kan man med infraröd teknik (IR) enkelt kommunicera med TV-apparater, värme- och larmsystem m.m.
I industriella miljöer används kommunikation för att styra fabriker och processer och för att samla in olika typer av produktionsdata för att kunna planera och styra fabriken på ett effektivt sätt.
Med ett lokalt nätverk på kontoret kan man komma åt den centrala servern, skriva ut på olika skrivare samt skicka e-post och använda Internet.
Ett industriellt nätverk används för att samla upp produktionsdata i en process, skicka signaler mellan sensorer, frekvensomriktare, styrsystem och kontrollrum.
Produktionen övervakas av ett kontrollsystem som vid larm skickar ett servicemeddelande till en tekniker. Meddelandet skickas i väg över mobilnätet till serviceteknikerns mobiltelefon och dator.
Med hjälp av ett trådlöst nätverk kan robotar, sensorer och styrsystem kommunicera med ett kontrollrum i verkstaden. Ett trådlöst nätverk är enklare att bygga om när behoven ändras.
Idag är utvecklingen inom detta område extremt snabb och nya produkter, system och lösningar kommer med jämna mellanrum ut på marknaden. Man kan säga att utvecklingen går mot system som kan kommunicera med varandra oberoende om de sitter i en industri, i ditt hem eller i en apparat som du bär med dig.
OLIKA PRODUKTIONSNIVÅER
I en produktionsanläggning kombineras ofta olika typer av nätverk. Man kan säga att kommunikationen sker på tre olika nivåer med olika krav på snabbhet och säkerhet. Längst ner i hierarkin, ute i fabriken, finns den s.k. I/O-nivån. På denna nivå sker kommunikation mellan utrustningar som driver och positionerar olika mekaniska rörelser. Det kan t.ex. vara sensorer, frekvensomriktare, pneumatiska ventiler och I/O-moduler.
Utrustningen på I/O-nivån utbyter information med den överliggande styrnivån. På denna nivå finns olika typer av styrsystem och PLC-utrustningar. Dessa kommunicerar med varandra och med tillkopplade operatörspaneler så att operatören kan göra mindre justeringar av programmen, återställa larm och avläsa produktionsdata ute i en anläggning.
En I/O-modul (Input/ Output-modul) är en liten kommunikationsmodul som kan placeras ute i en anläggning för att kunna ge och ta emot styrsignaler i ett industriellt nätverk.
Kommunikationen i en industriell miljö sker i tre olika nivåer.
Styrnivån kommunicerar uppåt med kontrollnivån och nedåt med I/O-nivån. Kontrollnivån sköts ofta från ett kontrollrum en bit från själva processen och här sker övervakning, produktionsstyrning och datainsamling från processen. Kontrollnivån är ofta PC-baserad och innehåller speciella programvaror så att man på ett grafiskt, överskådligt sätt kan övervaka och styra hela processen från t.ex. ett kontrollrum
Med en operatörspanel kan produktionspersonalen avläsa produktionsdata eller göra ändringar och justeringar av programmet ute i anläggningen.
Optiska sensorer som kontrollerar att det finns rätt ingredienser på pizzor i en livsmedelfabrik är ett exempel på signaler i den s.k. I/O-nivån.
Från ett kontrollrum kan den industriella processen övervakas och kontrolleras.
INDUSTRIELLA GRÄNSSNITT
Då det gäller digital kommunikation är det viktigt att man är överens om hur olika apparater och system kopplas samman i ett nätverk. Man måste vara överens om hur signalerna ska se ut, hur de ska skickas, hur kontakterna ska vara utformade och vilka spänningsnivåer de ska kunna hantera. Med olika s.k. protokoll bestämmer man hur kommunikationen startas och avslutas, vems tur det är att sända, vad som ska ske om överföringen misslyckas etc.
Ett grundläggande exempel på protokoll är ASCII som används för att kunna presentera bokstäver, siffror och tecken på och mellan datorer. I sin enklaste form är ASCII en 7 bitars teckenkodning där de sju bitarna representerar ett speciellt tecken. Exempelvis har tecknen @, %, A etc. olika koder som datorn förstår. Med en 7 bitars ASCII-kod kan man generera 128 olika tecken (27 ). Tabellen nedan visar ett utdrag. Exempelvis representeras tecknet @ av den hexadecimala koden 40 och tecknet = med 3D.
Ett protokoll är precis som ett språk, ett antal kommunikationsregler som måste följas för att den sändande och mottagande enheten ska förstå varandra.
E
F
En 7 bitars ASCII-tabell.
På en dator kan du prova att knappa in olika ASCII-koder för att se vilka tecken du får. Börja med att starta exempelvis Word. Markera med musen på den tomma sidan. Aktivera därefter det numeriska tangentbordet på tangentbordets höga sida genom att först aktivera Num Lock-tangenten. Håll därefter ned Alt-tangenten samtidigt som du skriver en ASCII-kod med siffrorna på det numeriska tangentbordet. Om du till exempel vill infoga symbolen för snabel-A @ trycker du och håller ned ALT tangenten medan du skriver 64 (40 hexadecimalt är samma som 64 decimalt) på det numeriska tangentbordet. Hur man omvandlar mellan olika talsystem såg du tidigare i boken i avsnittet om digitalteknik. För att enkelt omvandla mellan olika talsystem finns det en flera sidor på internet till din hjälp.
RS-232
Tidigare var det vanligaste gränssnittet för datakommunikation i hemmet och i industrin standarden RS-232 (recommended standard 232). Denna standard användes vid t.ex. kommunikation mellan en dator och en skrivare och finns idag endast i äldre anläggningar och system. Det maximala avståndet för överföring med RS-232 gränssnittet är ca 15 meter och den maximala överföringshastigheten 20 kbps. 20 kbps är 20 000 st digitala ettor eller nollor varje sekund, vilket fungerade i kontorsmiljö men knappast i en industriell miljö. Därför vidareutvecklade man detta gränssnitt och tog fram standarden RS-485.
9-polig kontakt för RS-232-kommunikation.
RS-485
Standarden RS-485 (recommended standard 485) är en vidareutveckling av RS-232 och var nästa steg i utvecklingen som vanligt gränssnitt i industrin. Gränssnittet är konstruerat för databussar med upp till 32 olika enheter och med ett maximalt överföringsavstånd på 1 200 meter vid en datahastighet på 12 Mbps. Alltså får man både högre hastighet och större maximalt överföringsavstånd än med RS-232-kommunikation. Jämför de båda standarderna i tabellen nedan. Standard
Överföringshastigheten anges i bitar per sekund, bps. Vid 12 Mbps skickas det 12 miljoner digitala ettor eller nollor varje sekund under en dataöverföring.
meter Max hastighet (vid 15 meter)
Utgångsspänningar
Jämförelse mellan standarderna RS-232 och RS-485. Att signalöverföringen är balanserad innebär att signalen är mindre känslig för störningar, elektromagnetiska fält och brus.
I industriella miljöer finns en hel del störningar som kan påverka olika signaler. Så fort t.ex. en motor startar eller en pneumatisk ventil drar, bildas ett elektromagnetiskt fält, vilket kan störa andra elektriska signaler i anläggningen. Att signalöverföringen är balanserad vid RS-485-kommunikation innebär att störningar som påverkat kabeln i den industriella miljön plockats bort av en speciell krets (en s.k. differensförstärkare) på mottagarsidan.
Fiberoptik i industriella miljöer I industriellt tuffa miljöer, med mycket störningar, är kommunikation med fiberoptiska kablar det absolut bästa alternativet. Genom att skicka ljuspulser istället för elektriska signaler i en ledare kan man överföra signaler på långa avstånd utan att de påverkas av elektromagnetiska störningar.
Det finns många olika standarder som använder RS-485 som sitt fysiska media, t.ex. PROFIBUS.
SERIELL KOMMUNIKATION
Idag är seriell kommunikation av data mellan enheter det vanligaste sättet att kommunicera elektroniskt. Seriell kommunikation sker mellan mobiltelefoner och basstationer, mellan en dator och en skrivare, mellan en dator och en webbkamera vid ett onlinemöte och mycket annat. Till skillnad från parallell kommunikation sker den seriella dataöverföringen av ettor och nollor på en enda fysisk kanal.
Sändare
Mottagare
kommmunikationsmedium
10000100101
10000100101
Vid seriell kommunikation sker kommunikationen mellan en sändare och en mottagare över ett kommunikationsmedium, t.ex. koppartråd, fiberoptisk kabel eller radiovågor.
Vid seriell kommunikation används ofta en kommunikationslänk för varje riktning. Detta kan i ett nätverk vara en ledare för sändning och en ledare för mottagning. Ledaren för sändning brukar i kommunikationssammanhang betecknas med TD eller TxD (Transmit Data) och ledaren för mottagning för med RD eller RxD (Receive Data).
Precis som då du talar i telefon med någon, och säger hej och hej då när samtalet börjar och slutar, är det viktigt att varje tecken förses med en startoch stoppbit för att separera olika tecken ifrån varandra. Nedanstående bild visar ett exempel på en seriell överföring med start- och stoppbitar.
ASCII-tecknet för bokstaven B
Startbit Stoppbit 100000010
Seriell överföring av bokstaven B mellan en handdator och en PC .
TD och TxD står för Transmit Data = att sända data.
RD och RxD står för Receive Data = att ta emot data.
USB (Universal Serial Bus) är en vanlig seriell standard som både används till datakommunikation och som strömförsörjning. Den senaste standarden benämns USB 4.0 och klarar överföringshastigheter upp till 40 Gbit/s. Sedan hösten 2024 ska alla laddbara apparater som mobiltelefoner, surfplattor, högtalare, hörlurar etc. kunna laddas med USB-kontakten typ C.
AUTOMATIONSTEKNIK
Mycket av den teknik vi använder i vardagen, hemma och på våra arbetsplatser är uppbyggd av både styrsystem, elektronikkomponenter och mekaniska funktioner. Kunskaper inom dessa områden och hur de samverkar är en viktig grundkunskap för en tekniker. Detta är bakgrunden till ämnet Automationsteknik.
Automationsteknik ger en gedigen grund inom ellära, logiska funktioner, styrsystem, pneumatik, mekanik m.m. Det ger en modern övergripande syn på den styr- och digitalteknik som används inom industrin. I materialet behandlas ämnet automationsteknik, nivå 1.
Läromedlet Automationsteknik omfattar följande komponenter:
• Faktabok
• Instuderingsuppgifter
• Digitalt läromedel
• Lärarhandledning
Instuderingsuppgifterna är ett övningshäfte med frågor till faktabokens avsnitt. Det digitala läromedlet innehåller faktatexterna, självrättande övningar baserade på instuderingsuppgifterna, förklarande filmer med animeringar och lärarhandledningen. Lärarhandledningen är del av det digitala läromedlet och innehåller facit m.m.