Inovatívne prístupy

Senzory predstavujú stavebný prvok v riadenej sústave. Pokiaľ chceme technologický proces, resp. akúkoľvek automatizovanú činnosť riadiť, je nevyhnutné získavať informácie z riadeného prostredia. Samozrejme, je možné sústavu riadiť aj intuitívne a nepotrebujeme získavať informácie pomocou senzorov. Napr. ráno o šiestej hodine začne svitať, nepotrebujeme teda merať svetlo pomocou senzoru a aj tak vieme, že viditeľnosť bude dostatočná. Takýchto informačných možností je však málo a preto na optimalizáciu riadenia technologického procesu potrebujeme získavať informácie z okolitého (riadeného) prostredia pomocou senzorov.

Najzákladnejšia riadená sústava je znázornená na obr. 1a.

Pri dosahovaní stále vyššieho stupňa elektronizácie a po zavedení mikroprocesorov do praxe sa začali riadiace systémy osadzovať mikroprocesormi. Najprv obsahovali len jeden mikroprocesor, ale vzhľadom na neustále klesanie cien mikroprocesorov sa ich počty postupne zvyšovali (obr. 1b). Tieto možnosti pozitívne ovplyvnili aj kvalitu riadenia riadiaceho systému. Mikroprocesory sa mohli špecializovať na úzky okruh riadenia, čím zvýšili rýchlosť riadenia ale aj jeho riadiace možnosti.

V praxi potom nastala situácia, že jeden mikroprocesor sa venoval spracovaniu informácie napr. z jedného senzora. Potom bolo už len otázkou času, kedy sa mikroprocesor premiestni do senzora (viď obr. 1c).

Tu je potrebné uvedomiť si, že na rozdiel od riadiaceho systému je senzor umiestnený v pracovnom prostredí. To znamená, že na senzor pôsobí teplota pracovného prostredia, tlak, resp. iné nepriaznivé vplyvy. Okrem toho, v pracovnom prostredí je často problém s priestorom. Preto senzor musí mať v porovnaní s riadiacim systémom malé rozmery, avšak mechanicky musí byť odolný (robustný), musí odolávať vyšším teplotám, rôznym tlakom a pod. To znamená, že použitie mikroprocesora v senzore nesmie v žiadnom prípade oslabovať jeho odolnosť. Je dokonca žiadúce, ako si ukážeme neskôr, aby tieto vlastnosti ešte posilnil.

V súčasnej dobe sú už takéto odolné mikroprocesory bežne na trhu a nič nestojí v ceste použitiu mikroprocesora v senzore. Aj keď sme už zistili, že mikroprocesor sa v senzore umiestniť dá, na to, aby sme tak urobili musíme mať dostatočný dôvod. Pretože iba jednoduché presunutie mikroprocesora z riadiaceho systému do senzora nie je dostatočným dôvodom na jeho použitie v senzore. Preto je dôležité, aby mikroprocesor v senzore plnil úlohu, ktorú už v riadiacom systéme splniť nemôže. Toto je potom tým pravým dôvodom na použitie mikroprocesora v senzore. Postupne prídeme na to, že pre použitie viacerých mikroprocesorov v jednom senzore existujú dôvody.

Konečne sme sa dostali k podstate tohto príspevku. Ďalej si ukážeme možnosti použitia mikroprocesorov v senzoroch a ich vplyv na zvýšenie kvality senzorov, zvýšenie ich spoľahlivosti a bezpečnosti a rozšírenie ich možností. V neposlednom rade má použitie mikroprocesorov v senzoroch vplyv aj na zníženie ceny senzorových aplikácii.

Dvojhodnotové senzory (výstupy majú v zopnutom alebo rozopnutom stave) majú dve základné prevedenia vzhľadom na výstup. Prevedenie NPN (obr. 2a) a prevedenie PNP (obr. 2b).

Každý z týchto výstupov môže byť spínací alebo rozpínací. To znamená, ak sa pred senzorom nachádza snímaný predmet v spínacej vzdialenosti (napr. pred induktívnym senzorom sa nachádza kovová clonka), pri spínacom senzore je vtedy výstupný tranzistor T zopnutý (výstupom prechádza elektrický prúd). Pri rozpínacom senzore je vtedy stav opačný, t.j. výstupný tranzistor T je rozopnutý.

Ak chceme rozšíriť možnosti výstupu senzora, môžeme urobiť senzor s dvoma výstupmi, a to so spínacím aj s rozpínacím. Príklad v NPN prevedení je znázornený na obr. 2c.

Na obr. 2a až 2c sú výstupy senzorov znázornené iba schematicky (názorne). Je potrebné si uvedomiť, že takto zapojené výstupy by nevyhovovali požiadavkám kladeným na moderné senzory. Tieto senzory musia byť odolné voči prepólovaniu aj voči skratu. Toto je však dnes už pri senzoroch bežné.

Na obr. 3 si ukážeme komplementárny výstup senzoru, pri ktorom je už štandardne problém dosiahnuť odolnosť požadovanú pri senzoroch. V tomto prípade je však použitie mikroprocesora opodstatnené a jeho funkciou je ochrana výstupov senzora.

Na obr. 3 je výstup tvorený dvoma tranzistormi T1 a T2, ktoré sú zapojené komplementárne. Jeden tranzistor je vždy v zopnutom stave a druhý je rozopnutý. Na obr. 3 sú nakreslené relé K1 a K2. Z praktického hľadiska je zbytočné zapojiť obidve relé súčasne a je vhodné zapojiť buď relé K1 alebo K2. Zapojenie obidvoch relé však nevedie k poruche. Na tomto obrázku je výstup zapojený ako PNP spínací, resp. súčasne NPN rozpínací. Nie je ale problém vyrobiť senzor tak, aby výstupy mali opačnú funkciu, t.j. aby výstup bol PNP rozpínací a súčasne NPN spínací.

Veľmi zaujímavé riešenie je uvedené na obr. 4. Ta tomto obrázku máme senzor so všetkými kombináciami výstupov. Výstup PNP spínací, NPN rozpínací, PNP rozpínací a NPN spínací. Takáto kombinácia výstupov je bez použitia mikroprocesora ťažko realizovateľná. Predovšetkým by bol problém pri pomerne nízkych nákladoch dosiahnuť všetky potrebné ochrany.

Spočiatku je nutné rátať s miernym zvýšením ceny. Pri výrobe strojov, kde je jasná požiadavka na typ výstupu senzora, bude pravdepodobne zbytočné používať takéto senzory, ale pre potreby servisu budú mať tieto senzory značný logistický, ale aj finančný prínos. Ako si ukážeme ďalej, takýto typ výstupu u senzora má veľký vplyv aj na bezpečnosť aplikácií senzora.

Pri použití mikroprocesora v senzore by bolo vhodné na tomto mieste spomenúť možnosti senzorov pri aplikácii zbernicových systémov. Avšak táto problematika by si vyžadovala podstatne viac priestoru a preto sa jej budeme venovať v budúcnosti.

Mikroprocesor v senzore môže zvýšiť aj jeho inteligenciu (vlastnosti senzora sa v prevádzke nastavia podľa potreby pomocou zásahu obsluhy alebo aj bez jej zásahu). Pri odovzdávaní takejto zodpovednosti senzoru je potrebné dozerať na to, aby sa senzor nezačal správať nekontrolovane a preto sa mu umožňuje meniť iba niektoré vlastnosti presne podľa zadefinovania.

Ukážeme si túto vlastnosť senzora na konkrétnom prípade. Vezmime si napr. induktívny senzor polohy, ktorý bude kontrolovať otáčky (resp. pohyb) dopravníka na obr. 5.

Hnacie koleso na dopravníku je poháňané napr. elektromotorom, dáva do pohybu pás dopravníka a ten prenáša pohyb na poháňané koleso. Senzor pri poháňanom kolese kontroluje či je dopravník v pohybe. V prípade mechanického poškodenia dopravníka (dopravník zastane) alebo poruchy elektromotora, resp. pretrhnutia dopravníkového pásu senzor zistí, že pohyb skončil a informuje o tom riadiaci systém. Túto vlastnosť, tak ako bola popísaná má aj senzor bez použitia mikroprocesora.

Ak sa v prevádzke vyskytujú dopravníky s rôznymi rýchlosťami, je potrebné používať pre každý dopravník rôzne nastavené senzory od výrobcu. Často krát nie je možné vopred určiť rýchlosť dopravníka a preto môže byť vyšpecifikovanie senzora problematické. Avšak pri použití senzora s mikroprocesorom sa senzor pri zapojení naučí aké sú správne otáčky, ktoré má kontrolovať a tie potom kontroluje. Ten istý senzor môže teda pracovať spoľahlivo na rôznych dopravných systémoch.

Samozrejme (s jedlom rastie chuť), daný senzor dokáže rozlíšiť aj prípadné opotrebenie dopravníka a upozorniť na to obsluhu. Týmto sa dá vo veľkej miere predísť haváriám a minimalizovať náklady na prevádzku. Senzor s mikroprocesorom dokáže spozorovať nielen spomalenie dopravníka, ale aj jeho zrýchlenie, čím zvýši aj jeho bezpečnosť.

Teraz prejdime k optickým snímačom hladiny. Najprv si vysvetlíme, na akom princípe optický snímač hladiny pracuje. Zväzok svetelných lúčov sa láme na optickom hranole podľa obr. 6a. Tento hranol je umiestnený v nádobe, v ktorej nie je žiadna kvapalina, je tam vzduch. Zväzok lúčov vyžiarený z vysielača sa bez straty vráti na prijímač.

Na obr. 6b je uvedená nádoba naplnená vodou a optický hranol je celý ponorený vo vode. Keďže voda má rovnaký optický index lomu ako optický hranol, ktorý je zo skla, zväzok lúčov sa neodrazí naspäť na prijímač, ale prejde do nádoby, kde sa utlmí. Tento prípad sa veľmi jednoducho vyhodnotí, pretože na prijímači je zväzok lúčov v plnej intenzite alebo v nulovej intenzite. Senzor je buď zopnutý alebo rozopnutý.

V praxi však situácia nie je taká jednoznačná. Napr. vtedy, keď sú v nádobe okrem kvapaliny aj predmety, ktoré sa správajú ako zrkadlové plochy (obr. 7a). Najmä v nápojovom priemysle sa používajú časti technológie vyrobené z akostnej nehrdzavejúcej ocele, ktorá predstavuje kvalitné zrkadlo. Vtedy nastáva situácia, keď je optický hranol celkom ponorený v kvapaline a na prijímač by sa nemalo dostať žiadne svetelné žiarenie; odrazom od zrkadlovej plochy sa predsa len časť žiarenia vráti a môže sa stať, že senzor vyhodnotí situáciu akoby nebol ponorený v kvapaline.

Zostaňme ešte pri nápojoch. Na obr. 7b je v nádobe pivo. Pivo sa pre vyhodnotenie senzora správa obdobne ako voda. Problém je s penou. Pivo sa však bez peny nevyskytuje a preto je potrebné tento problém riešiť. Ak optický hranol nie je ponorený, na prijímač sa vracia všetko svetelné žiarenie vyžiarené z vysielača. Ak je optický hranol ponorený v pive, potom sa na prijímač nedostane žiadne svetelné žiarenie z vysielača. Ak je však optický hranol ponorený v pene, potom sa na prijímač dostáva cca 60% svetelného žiarenia.

Ako som uviedol v predchádzajúcom prípade, práve v nápojovom priemysle sa používajú zrkadlové plochy a v kombinácii s pivnou penou nastáva neriešiteľná situácia. Ale nie pre senzor s mikroprocesorom.

Pivo nie je jediným druhom nápoja, ktorý robí problém. O niečo väčším problémom pri vyhodnocovaní nápojov je mlieko. Ak by sme pivo zaradili do skupiny kvapalín pri ktorých vzniká pena, mlieko zaraďme do skupiny mastných kvapalín.

Na obr. 8a je zobrazené správanie sa mastnej kvapaliny na optickom hranole. Pri vynorení optického hranola sa senzor správa ako pri vode. Na prijímač sa dostáva všetko svetelné žiarenie vyžiarené vysielačom. Pri ponorení optického hranola do kvapaliny neplatí to, čo platilo pri vode, pretože mastná kvapalina nezmáča celkom povrch optického hranola a časť svetelného žiarenia sa vráti na prijímač.

Doposiaľ sme nevenovali pozornosť viskozite kvapaliny. Pri kvapalinách s väčšou viskozitou nastáva ďalší problém. Keď hladina kvapaliny klesne pod úroveň optického hranola, požadujeme, aby nám senzor tento stav okamžite hlásil. Na obr. 8b však máme znázornené čo sa deje. Kvapalina v podobe kvapky ostáva na hranole a senzor môže túto situáciu chybne vyhodnotiť a hlásiť, že optický hranol je ešte ponorený v kvapaline.

Po týchto príkladoch je jasné, že mikroprocesor v optickom senzore sa vôbec nenudí. Pred časom sme dokonca riešili problém zariadenia na čistenie oleja. V oleji bola voda, ktorá sa dá odstrániť ohriatím oleja na bod varu vody. Unikajúca para však vytvorila z oleja penu a začala orosovať priestor nad olejom a teda aj optický hranol. A to už bol zážitok pre mikroprocesor, mastná kvapalina, pena a rosa. A predsa to zvládol!

Pri posudzovaní spoľahlivosti a bezpečnosti riadenia budeme vychádzať z nasledovných úvah.

1) Spoľahlivosť a bezpečnosť spolu úzko súvisia, ale to nie je to isté. Napr. neosvetlenú chodbu osvetlíme jednou žiarovkou. Dostaneme určitý stav spoľahlivosti aj bezpečnosti. Po výmene žiarovky za osvetlenie typu LED sa zvýši spoľahlivosť, ale nezvýši sa bezpečnosť osvetlenia.

2) Pod pojmom bezpečnosť riadenia nemyslíme iba bezpečnosť a ochranu zdravia, resp. života obsluhy, ale aj bezporuchovú prevádzku zariadenia, t.j. prevádzku bez poruchy s následnými škodami na majetku, ale aj škody spôsobené prerušením chodu zariadenia.

3) Pre zvýšenie bezpečnosti riadenia je nevyhnutné dodržiavať predpisy, ale rovnako dôležité je zdravé myslenie pri návrhu riadenia. Pokiaľ dôjde ku zlyhaniu bezpečnosti, je dobré vedieť preukázať dodržanie predpisov, ale pre samotné zvýšenie bezpečnosti riadenia je potrebné predovšetkým správne navrhnúť riadenie systému. Bezpečnosť riadenia strojov, resp. technologického procesu je daná každým členom, ktorý sa v procese riadenia vyskytne.

Bezpečnosť však najviac ovplyvňujú najslabšie prvky (prvky s najnižším stupňom bezpečnosti). Je ale na škodu veci, že vplyv týchto najslabších prvkov je negatívny a celkovú mieru bezpečnosti zhoršuje. Dalo by sa povedať, že najjednoduchšie systémy (častokrát až geniálne), sú aj najbezpečnejšie. Pri zložitejších systémoch musíme siahnuť aj po zložitejších bezpečnostných opatreniach. Tieto sú však aj drahšie a preto riešime nielen bezpečnosť riadenia ale aj rovnováhu medzi nákladmi na realizáciu a rizikom vzniku nebezpečnej poruchy.

Teraz sa sústreďme na senzory. Tak ako nič nie je čierne alebo biele, ani senzory nie sú klasické a bezpečnostné. Senzory je možné použiť na rôznych úrovniach bezpečnosti. Najväčší vplyv na bezpečnosť má však správne použitie vhodného senzora.

Už poznáme rozdiel medzi typmi výstupov NPN a PNP. Riešenie bezpečnosti pre jednotlivé typy výstupov je podobné, a preto si popíšeme úvahu o bezpečnosti iba na prevedení výstupu NPN.

Vychádzajme z predpokladu, že snímač nie je bezpečnostný. Takže nebudeme riešiť poruchy snímača, ale sústredíme svoju pozornosť iba na poruchy spôsobené prívodmi k snímaču.

Čo sa stane, ak dôjde k prerušeniu výstupného prívodu k riadiacemu systému ako je to na obr. 9a? Riadiaci systém, resp. relé pripojené na výstupe snímača ostane rozpojené. Tento stav však zodpovedá rozpojenému výstupu snímača a my nebudeme vedieť, či je rozpojený výstup, alebo či je to porucha. Tento stav je však trvalý a nám poskytuje chybnú informáciu. Následne dôjde k nebezpečnej poruche.

Taký istý problém nastane v prípade prerušenia mínus pólu napájania, viď. obr. 9b. Preto tieto dve poruchy budeme riešiť spoločne. Majú aj spoločné riešenie, ktoré je na obr. 2c.

Na obr. 2c má snímač dva výstupy. Jeden spínací a druhý rozpínací. Dôležité je, aby výstupy nemali ani počas krátkej doby zhodnú úroveň. To znamená, že jedno relé má byť zopnuté a jedno relé rozopnuté, resp. naopak.

Pokiaľ sa preruší záporný pól napájania, obidva výstupy budú rozpojené a systém to vyhodnotí ako poruchu. Ak sa prerušia obidva výstupy, potom je stav identický, obidva výstupy budú rozopnuté a systém to opäť vyhodnotí ako poruchu. Ak je mechanizmus (ktorý strážime snímačom) v pohybe, výstup R je zopnutý a výstup Ṝ je rozopnutý, môžu nastať dva rôzne stavy. Preruší sa výstup R a týmto systém okamžite vyhodnotí tento stav ako poruchu. V druhom prípade, ak sa preruší výstup Ṝ, systém počká kým mechanizmus dôjde do koncovej polohy, výstup R sa rozpojí a systém to okamžite vyhodnotí ako poruchu.

Zatiaľ sme sa úmyselne nezaoberali rozpojením kladného pólu. Takýto prípad poruchy je znázornený na obr. 9c.

Aj po prerušení napájania prúd preteká naďalej po ceste, ktorá je naznačená na obr. 9c červenou čiarou. Snímač je napájaný. V prípade, že je výstup rozopnutý, napájanie snímača je bez akéhokoľvek obmedzenia. Ak sa výstup zopne, napätie na tranzistore poklesne a nestačí pre napájanie snímača. Avšak toto je dočasný stav, pretože snímač sa opäť rozopne.

V praxi môžu nastať dva stavy. Výstup snímača začne kmitať, alebo sa ustáli na napätí, ktoré stačí pre napájanie snímača, ale neprekáža napájaniu vstupu do systému. Obidva stavy nie sú definované a sú veľmi nebezpečné, pretože sa ťažko dajú odhaliť. Snímač, aj keď nestabilne, môže pracovať počas dlhej doby a porucha sa dá len veľmi ťažko lokalizovať.

Správanie sa snímača pri tomto type poruchy môže byť ovplyvnené konštrukciou snímača. Každý výrobca snímača môže mať inú konštrukciu, ale v podstate je vo všetkých prípadoch tento typ poruchy veľmi nepríjemný a treba ho riešiť.

Nepríjemnosť prerušenia kladného napájacieho napätia je charakteristická pre výstupy snímačov typu NPN. Pre výstupy snímačov typu PNP je nepríjemné, keď dôjde k prerušeniu záporného napájacieho napätia.

Riešenie takejto poruchy je možné pomocou výstupu podľa obr. 3. V prípade zapojenia obidvoch relé bude signalizácia poruchy dostatočná. Na obr. 4 je dokonalejšia verzia ochrany.

Doposiaľ sme neriešili bezpečnostné senzory. Táto oblasť je dostatočne rozsiahla a bezpečnostným senzorom sa budeme venovať nabudúce. Teraz sme si popísali iba možnosť zvýšenia bezpečností použitím vhodného výstupu. Ale sľúbili sme si, že si ukážeme dôvod na použitie viacerých mikroprocesorov v senzore. Týmto dôvodom sú práve bezpečnostné senzory. Informácia v bezpečnostnom senzore sa spracováva v dvoch líniách a každá je riadená mikroprocesorom. Tieto dve línie sa navzájom kontrolujú a vyhodnocujú prípadné poruchy. Môže tam byť dokonca tretí mikroprocesor, ktorý kontroluje bezporuchovú činnosť dvoch pracovných mikroprocesorov

Pôvodne som chcel nazvať svoj príspevok „Použitie mikroprocesorov v senzoroch“. Bál som sa však, že by to mohlo vyvolať pocit, že sa budeme rozprávať o mikroprocesorovej technike. Aj keď sa veľmi často skloňovalo slovo mikroprocesor, mojou snahou bolo iba naznačiť možnosti použitia mikroprocesorov v senzoroch. Pre užívateľa je však mikroprocesor v senzore neviditeľný a nekladie žiadne nároky na znalosti mikroprocesorovej techniky. A to je hlavný cieľ pri zavádzaní mikroprocesorov – „byť nepozorovaný, ale hlavne užitočný“.

Autor: Ing. Štefan Ploskoň

[1] STN EN ISO 13849 Bezpečnosť strojov. Bezpečnostné časti riadiacich systémov

[2] STN EN 60947-5-2 Spínacie a riadiace zariadenia nízkeho napätia. Časť 5-2: Prístroje riadiacich obvodov a spínacie prvky. Bezdotykové spínače

[3] STN EN 60947-5-3 Spínacie a riadiace zariadenia nízkeho napätia. Časť 5-2: Prístroje riadiacich obvodov a spínacie prvky. Požiadavky na bezdotykové prístroje s definovaným správaním v podmienkach poruchy

[4] Ploskoň Štefan: Zvýšenie bezpečnosti v automatizácii – prechod od štandardných snímačov ku bezpečnostným snímačom. Konferencia – III. Stretnutie elektrotechnikov južného Slovenska; Dunajská Streda 28.11.2012.

[5] Ploskoň Štefan: Vplyv typu výstupu snímača na spoľahlivosť a bezpečnosť riadenia strojov. Elektrotec 2013 – IX. regionálne stretnutie elektrotechnikov východoslovenského regiónu; Košice 12.02.2013.