Realizace logických funkcí

Při realizaci logických obvodů je nutné použít takovou realizační soustavu, která splňuje požadavky na úplný soubor logických funkcí. Funkce logického řízení lze – v závislosti na použitých stavebních prvcích logických obvodů – realizovat následujícími způsoby:

• kontaktně (elektricky) – prostřednictvím relé a stykačů

• bezkontaktně (elektronicky) – prostřednictvím integrovaných obvodů

Kontaktní realizace

Kontaktní řízení se uskutečňuje spínáním elektrických kontaktů. Elektrický řídicí systém je tvořen nastavovacím členem a řídící jednotkou – příkladem může být spínačem ovládaný elektromotor, pracující jako pohon stroje.

Rozlišujeme spínací kontakty, které jsou v aktivním stavu sepnuty, a rozpínací kontakty, které v aktivním stavu přerušují elektrický obvod. Kontakty mohou být z klidového do aktivního stavu uvedeny mechanicky (tlačítkovým nebo koncovým spínačem) či elektromagnetem (stykačem, pomocí relé, krokovým spínačem).

Tlačítkový spínač je v aktivním stavu jen po dobu trvání aktivačního signálu, např. tlaku prstu nebo procházejícího proudu v cívce relé. Volicí spínač, například dvoupolohový přepínač nebo polarizované relé, setrvávají v nastavené poloze.

Obr. 1: Tlačítkový spínač

Stykač a relé jsou ovládány elektromagneticky. Při vybuzení cívky elektrickým proudem je přitažena kotva a jsou sepnuty kontakty. Stykač se používá k připojování zařízení velkých výkonů, například elektromotorů – hlavními kontakty spíná hlavní obvod, například napájení motoru, pomocnými kontakty připojí napájení cívky, aby stykač zůstal sepnut i po budícím impulzu. Relé spíná malé výkony a slouží jako dálkově ovládané tlačítkové spínače.

Obr. 2: Relé

Ve schématech řídicích obvodů jsou tyto konstrukční prvky zobrazeny normovanými schematickými značkami, které zobrazují klidový stav kontaktů. Stykače i jejich kontakty se ve schématech označují symbolem K, spínače se značí symbolem S.

Obr. 3: Spínací a rozpínací tlačítko

Obr. 4: Cívka relé se spínacím a rozpínacím kontaktem

Liniová schémata

Reléové obvody se znázorňují prostřednictvím liniových (kontaktních) schémat. Ta reprezentují zapojení elektrických kontaktů, které umožňují průchod elektrického proudu mezi dvěma póly zdroje. Proud prochází přes kontakty do zátěže – tou je například cívka relé. Kontakty relé pak mohou být napojeny na elektromotor či světelnou signalizaci.

Kontakty nesou shodné označení jako logické proměnné. Má-li proměnná hodnotu logické 1, je spínací kontakt sepnut; pro logickou 0 je rozepnut. Rozpínací kontakt náleží negované proměnné. Kontaktů označených stejnou proměnnou, včetně její negace, může být ve schématu více – tyto jsou ovládány jediným relé vybaveným vícero spínacími a rozpínacími kontakty.

Obr. 5: Kontaktní schémata realizující logické funkce y = a, y = ā

Funkce logického součinu (AND) je realizována sériovým zapojením spínacích kontaktů, neboť to umožňuje průchod proudu zátěží, jen když jsou oba kontakty sepnuty – tedy jen když jsou příslušné proměnné rovny logické 1. Logický součet (OR) je vyjádřen paralelním zapojením spínacích kontaktů, neboť stačí jeden sepnutý kontakt, aby relé přitáhlo a proud protékal zátěží.

Obr. 6: Kontaktní schémata realizující funkce logického součinu a součtu

Funkce výlučného logického součinu (XOR, nonekvivalence) je pravdivá, jsou-li logické hodnoty obou vstupních proměnných různé – neboli když je jeden ze spínačů sepnut a druhý rozpojen. Prakticky lze funkci uplatnit pro blokování současného sepnutí dvou relé – například ovládá-li jedno běh motoru doleva a druhé běh doprava. Vzhledem k tomu, že

lze blokování zajistit elektricky zařazením rozpínacího kontaktu jednoho relé do větve se spínacím kontaktem druhého relé, a obráceně:

Obr. 7: Kontaktní schéma funkce nonekvivalence

Následující kontaktní schéma znázorňuje logickou funkci  Kontakty jedné logické proměnné jsou kresleny pod sebou, aby bylo demonstrováno jejich společné ovládání příslušným jedním relé.

Obr. 8: Kontaktní schéma funkce

Bezkontaktní realizace

Bezkontaktní řídicí obvody využívají polovodičové prvky (spínače), obvody, moduly a systémy. Podle způsobu sestavení programu realizujícího požadované logické funkce rozdělujeme tyto obvody dále na pevně programované a volně programovatelné.

Pevně programované logické řízení

Bezkontaktní, pevně programované logické řízení realizuje logické funkce prostřednictvím pevně zapojených integrovaných polovodičových prvků, jako jsou diody, tranzistory a tyristory, dále časových (zpožďovacích) prvků a klopných obvodů – integrované obvody vykonávají dle vstupních informací obsluhy, nadřazených systémů a zpětnovazebních signálů požadovanou funkci, kterou již nelze měnit bez fyzické změny zapojení. Každá logická operace je prováděna prostřednictvím logického členu neboli hradla.

Logické hradlo NAND

Vlastní obvody hradel mohou být zkonstruovány pomocí různé součástkové základny. Následující ukázka popisuje dvouvstupové hradlo NAND v pozitivní tranzistorově-tranzistorové logice (TTL), kdy signálu logické 1 odpovídá napětí +5V a signálu logické 0 napětí 0V.

Základem obvodu je bipolární tranzistor typu NPN, tedy zesilovač proudu – velikost proudu kolektorem (K) je oproti proudu do báze (B) mnohonásobná. Tranzistor pracuje ve spínacím režimu: kladné napětí na bázi oproti emitoru (E) tranzistor pro průchod proudu kolektorem otevírá, kdežto nulové napětí na přechodu báze-emitor tranzistor uzavírá.

Obr. 9: Hradlo NAND

Je-li na alespoň jednom ze vstupů tranzistoru T₁ signál logické 0, tedy nulové napětí, tranzistor se otevře a napětí na jeho kolektoru poklesne k úrovni 0V. Tím se uzavře tranzistor T₂ – jeho kolektorem přestane téct proud, takže napětí na jeho emitoru je rovněž blízké úrovni 0V. To uzavře tranzistor T₃ a na jeho výstupu bude téměř plné napájecí napětí – tedy signál logické 1.

Je-li na obou vstupech tranzistoru T₁ signál logické 1, tedy úroveň napájecího napětí, tranzistor se zavře a jeho zbytkový proud otevře tranzistor T₂. Průchod proudu emitorem tranzistoru T₂ vyvolá úbytek napětí na odporu, který je k emitoru připojen – tím se otevře tranzistor T₃, na jehož výstupu bude nyní napětí blízké úrovni 0V – tedy signál logické 0.

Pro všechny čtyři možné kombinace vstupních signálů tedy uvedené hradlo realizuje funkci NAND.

Logická hradla se sdružují do integrovaných obvodů (IO). Konkrétní počet hradel v jednom pouzdru se odvíjí od počtu jejich vstupů a od počtu dostupných vývodů (pinů) IO. Například čtyři zde uvedená hradla NAND tvoří společně IO 7400.

Obr. 10: Integrovaný obvod 7400

Maximální počet vstupů jiných integrovaných obvodů, které lze připojit na výstup hradla, se označuje jako logický zisk. Jeho hodnota je určena proudovým zatížením výstupu, které musí zůstat v přípustných mezích. V případě výše uvedeného hradla NAND v technologii TTL je hodnota logického zisku rovna 10.

Bloková schémata

Elektronické logické obvody se znázorňují pomocí blokových schémat, v nichž každé logické funkci přísluší normovaná značka – obsah této značky napovídá, o jakou funkci se jedná.

Počet vstupů jednoho bloku teoreticky není omezen, ale prakticky koresponduje s dostupnými logickými členy, které jsou nejvýše osmivstupové. Pro označení napěťových úrovní se užívá symbol H (high) pro logickou 1 a symbol L (low) pro logickou 0.

Obr. 11: Značky logických funkcí dle norem IEC a americké ASA

Máme-li například sestavit blokové schéma pro logickou funkci pak nejprve hradlem NAND vynásobíme proměnné a a b, hradlem AND proměnnou c s negovanou proměnnou a následně výstupy obou hradel logicky sečteme v hradle OR.

Obr. 12: Blokové schéma funkce

Realizace vybraným typem hradel

Při navrhování logických obvodů není nutné – ani technologicky vhodné – využívat hradel všech základních logických funkcí. Libovolný logický obvod je možné realizovat jen jejich vybranou podmnožinou – pomocí úplného systému logických funkcí. Tím je například trojice booleovských prvků NOT, AND a OR nebo samotný negovaný logický součin NAND či negovaný logický součet NOR.

Jednoduchými úpravami, které využívají zákonů Booleovy algebry, lze ukázat, jak lze funkce NOT, AND a OR vyjádřit funkcí NAND. Negaci ā (invertor) lze realizovat spojením vstupů hradel NAND, neboť  Součin lze zrealizovat dvěma hradly NAND, protože  První negace výrazu odpovídá operaci  druhá představuje inverzi tohoto dílčího výstupu. Rozložíme-li dvojnásobnou negaci součtu použitím deMorganova zákona na součin negovaných proměnných, který je opět negován, vyjádříme hradly NAND operaci OR:

Analogickými úpravami lze trojici booleovských funkcí vyjádřit pomocí funkce NOR. Přehledně vše zachycuje následující tabulka blokových schémat:

Obr. 13: Bloková schémata booleovských funkcí realizovaných hradly NAND a NOR

Předchozí ukázky současně poskytují návod, jak při praktických úlohách převést libovolnou logickou funkci na funkci vyjádřenou pouze hradly NAND nebo NOR: pomocí zákona dvojí negace a deMorganových zákonů. Postup budeme demonstrovat na logické funkci výše řešené pomocí booleovských prvků NOT, OR, AND.

Obr. 14: Blokové schéma logické funkce  realizované hradly NAND

Kritérium optimálního návrhu

V praxi se používá současně hradel NAND a NOR. Jedním z rozhodujících kritérií optimálního návrhu logického obvodu je pak počet použitých pouzder integrovaných obvodů, jejich typy a tím i cena řídicího obvodu.

Volně programovatelné logické řízení

Bezkontaktní, volně programovatelné logické řízení využívá možnosti nastavení řídicích funkcí výpočtem pomocí programovatelného logického automatu (PLC, Programmable Logic Controller) nebo průmyslového řídicího počítače, tedy PC doplněného vstupními a výstupními obvody.

PLC se skládá z jedné či více centrálních mikroprocesorových jednotek (CPU), systémové paměti, souboru vstupních a výstupních jednotek pro připojení řízeného systému, tedy technologického procesu, výrobního stroje nebo zařízení a souboru komunikačních jednotek pro komunikaci s ostatními systémy. Jednotky programovatelného automatu jsou propojeny systémovou sběrnicí.

Obr. 15: Zjednodušené schéma PLC

Funkce PLC je řízena uživatelským programem, který provádí aritmetické a logické operace a vytváří vazbu mezi vstupy a výstupy v požadované posloupnosti. Program se vykonává v periodicky se opakujícím uzavřeném cyklu, takzvaném scanu – na počátku každého cyklu se paralelně načtou obrazy vstupů a výstupů, na jeho konci se zapíše obraz výstupních veličin do fyzických výstupů, aktualizují se časové údaje a ošetří se komunikační úkony.

Program nepracuje s aktuálními hodnotami vstupů a výstupů, ale s jejich paměťovými obrazy uloženými v registrech – to znamená, že bez ohledu na aktuální děj v řízeném systému PLC udržuje během jednoho programového cyklu hodnoty vstupů a výstupů konstantní, čímž zamezuje vzniku nedovolených mezistavů, které by mohly vést případně až k hazardům.

Vstupní i výstupní jednotky PLC

Vstupní i výstupní jednotky jsou binární (digitální) a analogové. Binární vstupní jednotky připojují prvky poskytující dvouhodnotový signál, například tlačítka, koncové spínače, senzory doteku či dvouhodnotové senzory tlaku, teploty a hladiny. Binární výstupní jednotky slouží k připojení dvouhodnotových akčních členů, jakými jsou cívky relé a stykačů, signalizační zařízení, cívky pneumatických a hydraulických rozvaděčů či stupňovité řízení pohonů.

Analogové vstupní jednotky zprostředkují kontakt PLC se spojitým prostředím, typicky napěťovými či proudovými signály, které poskytují potenciometry a snímače teploty, tlaku, rychlosti či síly. Jejich klíčovou součástí je analogově-digitální (A/D) převodník, který mění analogové signály na číselné hodnoty. Analogové výstupní jednotky, jejichž základ představuje D/A převodník, ovládají akční členy či zařízení se spojitým charakterem vstupního signálu, jako jsou frekvenční měniče či ručkové měřicí přístroje.

Výstupní jednotky mohou být kontaktní, jako je tomu u tzv. inteligentních stykačů, většinou jsou však PLC vybaveny výstupy bezkontaktními, k nimž je nutno před silový výstup, tedy stykač, připojit cívku kontaktního přístroje, nejčastěji relé.

Programové vybavení PLC

Instrukční sada moderních PLC je velmi široká. Každý automat provádí instrukce pro logické operace s bitovými operandy, instrukce paměťových funkcí a instrukce zápisu na adresové místo paměti a registrů, ale též instrukce realizující činnost klopných obvodů, čítačů, časovačů, posuvných registrů, krokových řadičů a dalších funkčních bloků. Kromě nich automaty provádějí aritmetické i logické operace s číselnými operandy, instrukce pro přenos dat, instrukce pro vykonávání programu, tedy skoky, cykly a volání podprogramů či dokonce instrukce pro komplexní operace realizující činnost regulátorů.

Tvorba uživatelských programů

Programovací jazyky pro PLC umožňují názornou a účinnou realizaci logických funkcí. Mezinárodní norma definuje tyto typy jazyků:

• Jazyk symbolických instrukcí, což je strojově orientovaný jazyk a obdoba počítačového asembleru, který umožňuje práci se symbolickými jmény proměnných a dalších objektů programu, symbolickým označením návěští skoků a volání podprogramů či aparátem pro přidělování paměti.

• Jazyk kontaktních (liniových) schémat, což je grafický jazyk, který s logickými operacemi pracuje způsobem obvyklým při kreslení kontaktních schémat. Instrukce, které nemají svou obdobu v kontaktní symbolice, zobrazuje ve dvojici závorek.

• Jazyk blokových schémat, což je grafický jazyk, který logické operace popisuje značkami blokových schémat. Své značky v něm mají i aritmetické instrukce a ucelené funkční bloky, například čítače, časovače nebo paměťové členy.

• Jazyk strukturovaného textu, což je obdoba vyšších počítačových programovacích jazyků, který umožňuje úsporný zápis algoritmů.

Nadstavbu nad uvedenými jazyky tvoří grafický jazyk pro sekvenční programování, který pomocí značek stavů, přechodů a větvení popisuje strukturu programu. Chování programu v jednotlivých stavech nebo definování podmínek přechodů popisuje prostředky libovolného z předchozích jazyků.

Obr. 16: Způsoby programování PLC

Výše uvedená tabulka demonstruje na příkladu logického součtu OR dvou logických proměnných programování PLC. Jména vstupních a výstupních logických proměnných jsou ve skutečnosti symbolická označení jejich adres. Jednotlivé příkazy jazyka symbolických instrukcí kromě nich používají symboly pro typ operací následované operandem či jeho adresou.

Zdroje

• SCHMID, Dietmar a kol. Řízení a regulace pro strojírenství a mechatroniku. Praha: Europa Sobotáles, 2005, 420 s. ISBN 80-86706-1.

Obrázky

• Obr. 1, 2: SCHMID, Dietmar a kol. Řízení a regulace pro strojírenství a mechatroniku. Praha: Europa Sobotáles, 2005, 420 s. ISBN 80-86706-1.
• Obr. 3, 4, 5, 6, 7, 8: Archiv autora.
• Obr. 9, 10, 11, 15, 16: TŮMA, Jan a kol. Základy automatizace [on line]. [cit. 2014-8-23]. Dostupný na www: www.elearn.vsb.cz/archivcd/FS/Zaut/Skripta_text.pdf
• Obr. 12, 13, 14: Archiv autora.