Τίτλος Άσκησης: Εκκίνηση τριφασικού κινητήρα από δύο θέσεις και προτεραιότητα στο STOP Σύνδεση με την πραγματικότητα Σε μια βιομηχανική εγκατάσταση, ένας τριφασικός κινητήρας κινεί μια μεταφορική ταινία. Η ταινία εκτείνεται σε μεγάλο μήκος και πρέπει να μπορεί να ξεκινά και να σταματά από δύο διαφορετικά σημεία: από τη θέση φόρτωσης, από τη θέση εκφόρτωσης. Σε κάθε θέση υπάρχει ένα μπουτόν START και ένα μπουτόν STOP. Παράλληλα, ο κινητήρας προστατεύεται από θερμικό υπερφόρτισης. Ο υπεύθυνος αυτοματισμού ζητά από τους μαθητές να σχεδιάσουν ένα σύστημα στο οποίο: οποιοδήποτε START θα μπορεί να εκκινεί τον κινητήρα, οποιοδήποτε STOP θα μπορεί να τον σταματά, το θερμικό θα διακόπτει τη λειτουργία σε περίπτωση υπερφόρτισης, η εντολή STOP θα υπερισχύει εάν πατηθούν ταυτόχρονα START και STOP, ο κινητήρας δεν θα επανεκκινεί μόνος του μετά από διακοπή και επαναφορά της τροφοδοσίας. Αρχικό πρόβλημα: Πώς μπορεί ένα PLC να “καταλάβει” ότι δύο διαφορετικά START εκτελούν την ίδια λειτουργία, ενώ οποιοδήποτε STOP ή το θερμικό πρέπει να σταματά αμέσως τον κινητήρα; Χαρακτηρισμός εισόδων και εξόδων του PLC Διαθέσιμος εξοπλισμός  PLC με τροφοδοτικό κατάλληλης τάσης,  εκπαιδευτική πινακίδα τριφασικού κινητήρα,  τριφασικός ασύγχρονος κινητήρας,  επαφέας ισχύος,  θερμικό προστασίας κινητήρα,  δύο μπουτόν START, κανονικά ανοικτά,  δύο μπουτόν STOP, κανονικά κλειστά,  καλώδια εργαστηριακών συνδέσεων,  μικροαυτόματος ή άλλη κατάλληλη προστασία,  υπολογιστής με λογισμικό προγραμματισμού PLC,  πολύμετρο ή δοκιμαστικό δύο πόλων,  μέσα ατομικής προστασίας. Πρώτη διερεύνηση – Ανάλυση του προβλήματος Πριν πραγματοποιήσετε οποιαδήποτε σύνδεση, συζητήστε στην ομάδα σας. Διερευνητική Ερώτηση 1: Τι πρέπει να συμβεί αν πατηθεί το START της πρώτης θέσης; Ενδεικτική απάντηση: Το PLC πρέπει να ενεργοποιήσει την έξοδο που ελέγχει το πηνίο του επαφέα. Ο επαφέας θα κλείσει τις κύριες επαφές του και ο κινητήρας θα ξεκινήσει. Διερευνητική Ερώτηση 2: Τι πρέπει να συμβεί αν πατηθεί το START της δεύτερης θέσης; Ενδεικτική απάντηση: Πρέπει να προκληθεί ακριβώς το ίδιο αποτέλεσμα. Τα δύο START αποτελούν εναλλακτικές εντολές εκκίνησης. Διερευνητική Ερώτηση 3: Ποια λογική σχέση υπάρχει ανάμεσα στα δύο START; Ενδεικτική απάντηση: Λογική Ή (OR). Ο κινητήρας εκκινεί αν πατηθεί το START 1 ή το START 2. Διερευνητική Ερώτηση 4: Τι πρέπει να συμβεί αν πατηθεί οποιοδήποτε STOP; Ενδεικτική απάντηση: Ο κινητήρας πρέπει να σταματήσει, ανεξάρτητα από το σημείο από το οποίο εκκινήθηκε. Διερευνητική Ερώτηση 5: Γιατί τα STOP χρησιμοποιούν κανονικά κλειστές επαφές; Ενδεικτική απάντηση: Σε κανονική κατάσταση επιτρέπουν τη διέλευση του σήματος προς το PLC. Αν πατηθεί ένα STOP, κοπεί ένας αγωγός ή χαλαρώσει μια σύνδεση, το σήμα μηδενίζεται. Έτσι η βλάβη οδηγεί σε διακοπή και όχι σε ανεξέλεγκτη λειτουργία. Διερευνητική Ερώτηση 6: Ποια λογική σχέση πρέπει να υπάρχει ανάμεσα στα STOP και στο θερμικό; Ενδεικτική απάντηση: Όλα πρέπει να επιτρέπουν τη λειτουργία. Επομένως αντιστοιχούν σε λογική ΚΑΙ (AND). Δεύτερη διερεύνηση – Επιλογή τρόπου σύνδεσης Οι μαθητές καλούνται να συγκρίνουν δύο πιθανές λύσεις. Λύση Α – Κάθε χειριστήριο σε ξεχωριστή είσοδο Διερευνητική ερώτηση 7: Ποιο πλεονέκτημα έχει η χρήση ξεχωριστής εισόδου για κάθε στοιχείο; Ενδεικτική απάντηση: Το PLC γνωρίζει ποιο ακριβώς μπουτόν πατήθηκε και μπορεί να εμφανίσει ξεχωριστή ένδειξη ή μήνυμα βλάβης. Διευκολύνονται η διάγνωση, η καταγραφή συμβάντων και η μελλοντική επέκταση. Λύση Β – Ομαδοποίηση των χειριστηρίων Τα δύο START συνδέονται παράλληλα σε μία είσοδο. Τα δύο STOP και η επαφή του θερμικού συνδέονται σε σειρά σε δεύτερη είσοδο. Διερευνητική Ερώτηση 8: Πόσες εισόδους απαιτεί η πρώτη λύση; Απάντηση: Πέντε. Διερευνητική Ερώτηση 9: Πόσους συνδυασμούς έχει ο πλήρης πίνακας αληθείας; Απάντηση: 2 5 = 32. Διερευνητική Ερώτηση 10: Πόσες εισόδους απαιτεί η ομαδοποιημένη λύση; Απάντηση: Δύο. Διερευνητική Ερώτηση 11: Πόσους συνδυασμούς έχει τώρα ο πίνακας αληθείας; Απάντηση: 2 2 = 4, χωρίς να υπολογίζεται ακόμη η προηγούμενη κατάσταση της εξόδου. Διερευνητική Ερώτηση 12: Ποιο είναι το μειονέκτημα της ομαδοποίησης; Απάντηση: Το PLC δεν μπορεί να αναγνωρίσει ποιο συγκεκριμένο STOP πατήθηκε ή αν ενεργοποιήθηκε το θερμικό. Συμπέρασμα: Η ομαδοποίηση εξοικονομεί εισόδους, αλλά μειώνει τη δυνατότητα διάγνωσης. Σε ένα σύγχρονο βιομηχανικό σύστημα προτιμώνται συχνά οι ξεχωριστές είσοδοι, εφόσον υπάρχουν διαθέσιμες. Τρίτη διερεύνηση – αυτοσυγκράτηση Πείραμα Οι μαθητές δημιουργούν αρχικά ένα απλό πρόγραμμα: Πατούν στιγμιαία το START και στη συνέχεια το αφήνουν. Διερευνητική Ερώτηση 13: Τι παρατηρείτε; Ενδεικτική απάντηση: Η έξοδος ενεργοποιείται μόνο όσο παραμένει πατημένο το START. Όταν το αφήσουμε, η έξοδος απενεργοποιείται και ο κινητήρας σταματά. Διερευνητική Ερώτηση 14: Πώς μπορεί η έξοδος να «θυμάται» ότι δόθηκε εντολή εκκίνησης; Οι μαθητές οδηγούνται στη χρήση μιας επαφής της ίδιας της εξόδου Q1 παράλληλα προς το START. Η επαφή Q1 λειτουργεί ως λογική αυτοσυγκράτηση. Πίνακας Αληθείας Στην ομαδοποιημένη λύση θεωρούμε: I1 = 1: έχει πατηθεί τουλάχιστον ένα START, I2 = 1: όλα τα STOP και το θερμικό επιτρέπουν τη λειτουργία - δεν είναι κανένα ενεργοποιημένο Q΄: προηγούμενη κατάσταση εξόδου, Q: νέα κατάσταση εξόδου. Ερώτηση κρίσης: Τι συμβαίνει όταν I1 = 1 και I2 = 0; Ενδεικτική απάντηση: Η έξοδος παραμένει 0. Ακόμη και αν υπάρχει εντολή START, η εντολή STOP ή η ενεργοποίηση του θερμικού υπερισχύει. Συνδεσμολογία 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 Q΄ χαρακτηρίζουμε την προηγούμενη κατάσταση της εξόδου ενώ με Q την παρούσα κατάσταση της εξόδου. Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να σημειώσουμε το εξής: παρατηρούμε ότι έχουμε πέντε εισόδους με αποτέλεσμα ο πίνακας αληθείας να αποτελείται από 2 5 συνδυασμούς δηλαδή 32 συνδυασμούς. Η λύση ενός τέτοιου πίνακα αληθείας είναι αρκετά κοπιαστική, συνεπώς προσπαθούμε να τον απλοποιήσουμε. Θυμόαστε ότι όταν θέλουμε να συνδέσουμε δύο ή περισσότερα μπουτόν start ώστε να εκκινούν έναν κινητήρα, θα πρέπει να τα συνδέσουμε παράλληλα ενώ όταν θέλουμε να συνδέσουμε δύο ή περισσότερα μπουτόν stop ώστε να σταματούν έναν κινητήρα, θα πρέπει να τα συνδέσουμε σε σειρά. Μήπως θα μπορούσαμε να ομαδοποιήσουμε τις επαφές - μπουτόν και θερμικό - στις εισόδους του PLC ώστε να χρησιμοποιήσουμε λιγότερες εισόδους και τελικά να έχουμε πίνακα αληθείας με λιγότερους συνδυασμούς; Και αν ναι, με ποιον τρόπο θα πρέπει να γίνει αυτή η ομαδοποίηση; Μήπως με βάση τη λειτουργία των επαφών - μια ομάδα οι ανοικτές επαφές, οι οποίες θα συνδεθούν σε μια είσοδο και μια ομάδα οι κλειστές επαφές, οι οποίες θα συνδεθούν σε άλλη είσοδο; Με αυτόν τον τρόπο, πόσες εισόδους θα περιλαμβάνει ο πίνακας αληθείας και πόσοι συνδυασμοί μεταξύ των εισόδων θα δημιουργηθούν; Όταν οποιαδήποτε ανοικτή επαφή κλείσει, τότε η είσοδος Ι1 θα γίνει 1. Όταν οποιαδήποτε κλειστή επαφή ανοίξει, τότε η είσοδος Ι2 θα γίνει 0. Προτεραιότητα θέλουμε να έχουμε στα μπουτόν stop και στο θερμικό - άρα υπερισχύει η είσοδος Ι2. Στη συνέχεια εξάγετε την μαθηματική εξίσωση από τον πίνακα αληθείας. Υπενθυμίζουμε ότι μας ενδιαφέρουν οι συνδυασμοί εισόδων που δίνουν έξοδο 1. Εξαγωγή λογικής εξίσωσης από τον πίνακα αληθείας Από τον πίνακα προκύπτει ότι η έξοδος ενεργοποιείται όταν: το κύκλωμα διακοπής επιτρέπει τη λειτουργία, και υπάρχει νέα εντολή START ή προηγούμενη ενεργοποίηση της εξόδου. Η λογική εξίσωση είναι: I1΄  I2  Q′ + I1  I2  Q′ ‘ + I1  I2  Q Q=I2  (I1+Q′) όπου: + σημαίνει λογικό OR,  σημαίνει λογικό AND. Διερευνητική Ερώτηση 15: Σε ποιο σημείο της εξίσωσης φαίνεται η προτεραιότητα του STOP; Ενδεικτική απάντηση: Τέλος συμπληρώστε τον πίνακα Karnaugh, απλοποιήστε την εξίσωση και γράψτε το αντίστοιχο πρόγραμμα λειτουργίας αυτοματισμού σε οποιαδήποτε γλώσσα επιθυμείτε. Απλοποίηση με πίνακα Karnaugh Απλοποιημένη Εξίσωση Πρόγραμμα λειτουργίας του αυτοματισμού Εναλλακτική υλοποίηση με Set–Reset Οι μαθητές μπορούν να δοκιμάσουν και δεύτερη λύση: εντολή SET από οποιοδήποτε START, εντολή RESET από οποιοδήποτε STOP ή από το θερμικό. Το RESET πρέπει να έχει προτεραιότητα. Ερώτηση σύγκρισης: Ποια λύση είναι ευκολότερο να παρακολουθηθεί από έναν αρχάριο: η αυτοσυγκράτηση ή το Set–Reset; Ενδεικτική απάντηση: Η αυτοσυγκράτηση μοιάζει περισσότερο με το κλασικό κύκλωμα ηλεκτρονόμων και είναι συνήθως ευκολότερη για την αρχική κατανόηση. Το Set–Reset είναι χρήσιμο, αλλά απαιτεί προσοχή στην προτεραιότητα και στη διατήρηση της μνήμης. Πειραματικές δοκιμές Οι μαθητές φορτώνουν το πρόγραμμα και συμπληρώνουν τον πίνακα. Διερεύνηση βλαβών Βλάβη 1: Ο κινητήρας λειτουργεί μόνο όσο πατιέται το START Πιθανή αιτία: Δεν έχει τοποθετηθεί σωστά η επαφή αυτοσυγκράτησης Q1. Βλάβη 2: Το ένα START λειτουργεί, αλλά το δεύτερο όχι Πιθανή αιτία: Λανθασμένη διεύθυνση εισόδου, διακοπή αγωγού ή λάθος λογική σύνδεση στο Ladder. Βλάβη 3: Το STOP δεν σταματά τον κινητήρα Πιθανή αιτία: Το STOP έχει προγραμματιστεί παράλληλα αντί να αποτελεί συνθήκη που πρέπει υποχρεωτικά να ισχύει. Βλάβη 4: Με την επαναφορά του θερμικού ο κινητήρας ξεκινά μόνος του Πιθανή αιτία: Χρησιμοποιήθηκε διατηρούμενη μνήμη ή λανθασμένη λογική Set–Reset. Απαιτείται νέα, σκόπιμη εντολή START. Βλάβη 5: Όταν πατιούνται ταυτόχρονα START και STOP, ο κινητήρας εκκινεί Πιθανή αιτία: Το πρόγραμμα δίνει προτεραιότητα στην εκκίνηση. Πρέπει να τροποποιηθεί ώστε το STOP/RESET να υπερισχύει. Σύνδεση με την προηγούμενη άσκηση: Από την προηγούμενη στη νέα λογική Η εξίσωση της προηγούμενης άσκησης ήταν: Q1=(STOP⋅TH)⋅(START+Q1′) Στη νέα άσκηση εξελίσσεται σε: Q1=(STOP1⋅STOP2⋅TH)⋅(START1+START2+Q1′) Επομένως, οι μαθητές δεν κατασκευάζουν έναν εντελώς νέο αυτοματισμό. Επεκτείνουν τη λογική της προηγούμενης άσκησης, προσθέτοντας: το δεύτερο START παράλληλα στη λογική εκκίνησης, το δεύτερο STOP σε σειρά με τις συνθήκες διακοπής, χωρίς αλλαγή της εξόδου, του επαφέα ή της αυτοσυγκράτησης. Συμπέρασμα σύνδεσης Η νέα άσκηση αποτελεί φυσική συνέχεια της προηγούμενης. Οι μαθητές μεταφέρουν τη γνώση του ελέγχου ενός κινητήρα από μία θέση σε ένα πιο σύνθετο και ρεαλιστικό βιομηχανικό πρόβλημα. Παράλληλα, ανακαλύπτουν ότι η προσθήκη νέων θέσεων χειρισμού δεν αλλάζει τη βασική αρχή λειτουργίας: Τα START προστίθενται με λογική OR, ενώ τα STOP και οι συνθήκες προστασίας με λογική AND. Επέκταση σε τρίτη θέση χειρισμού Η εγκατάσταση επεκτείνεται και απαιτείται τρίτο σημείο ελέγχου. Διερευνητική Ερώτηση 14: Πώς θα συνδεθεί το τρίτο START στην ομαδοποιημένη λύση; Απάντηση: Παράλληλα με τα δύο υπάρχοντα START. Δεν απαιτείται νέα είσοδος ούτε αλλαγή του βασικού προγράμματος. Διερευνητική Ερώτηση 15: Πώς θα συνδεθεί το τρίτο STOP; Απάντηση: Σε σειρά με τα υπάρχοντα STOP και την επαφή του θερμικού. Διερευνητική Ερώτηση 16: Τι αλλάζει αν χρησιμοποιούνται ξεχωριστές είσοδοι; Απάντηση: Προστίθεται μία νέα είσοδος για το START 3 και μία για το STOP 3. Στο πρόγραμμα, το START 3 τοποθετείται παράλληλα με τα υπόλοιπα START, ενώ το STOP 3 σε σειρά με τις συνθήκες λειτουργίας. Πρόσθετες διερευνητικές ερωτήσεις Διερευνητική Ερώτηση 17: Γιατί δεν πρέπει η έξοδος του PLC να τροφοδοτεί απευθείας έναν ισχυρό τριφασικό κινητήρα; Ενδεικτική Απάντηση: Επειδή η έξοδος δεν είναι σχεδιασμένη για το μεγάλο ρεύμα του κινητήρα. Ελέγχει το πηνίο ενός κατάλληλου επαφέα. Διερευνητική Ερώτηση 18: Τι προστατεύει το θερμικό; Ενδεικτική Απάντηση: Τον κινητήρα από παρατεταμένη υπερφόρτιση και απώλεια φάσης, ανάλογα με τον τύπο του. Διερευνητική Ερώτηση 19: Προστατεύει το θερμικό από βραχυκύκλωμα; Ενδεικτική Απάντηση: Όχι. Απαιτείται κατάλληλη προστασία βραχυκυκλώματος. Διερευνητική Ερώτηση 20: Γιατί η Q1 πρέπει να μηδενίζεται όταν το PLC μεταβαίνει σε STOP; Ενδεικτική Απάντηση: Για να απενεργοποιηθεί ο επαφέας και να σταματήσει με ασφαλή τρόπο ο κινητήρας. Διερευνητική Ερώτηση 21: Είναι το συνηθισμένο PLC διάταξη ασφαλείας; Ενδεικτική Απάντηση: Όχι απαραίτητα. Για λειτουργίες ασφαλείας απαιτείται κατάλληλη αρχιτεκτονική, πιστοποιημένος εξοπλισμός και εκτίμηση κινδύνου. Διερευνητική Ερώτηση 22: Τι πληροφορία χάνεται όταν το θερμικό συνδεθεί σε σειρά με τα STOP στην ίδια είσοδο; Ενδεικτική Απάντηση: Δεν γνωρίζουμε αν η διακοπή προήλθε από χειριστή ή από υπερφόρτιση. Διερευνητική Ερώτηση 23: Θα μπορούσαμε να προσθέσουμε ενδεικτική λυχνία βλάβης; Ενδεικτική Απάντηση: Ναι, ιδιαίτερα όταν το θερμικό διαθέτει ξεχωριστή βοηθητική επαφή και συνδέεται σε ανεξάρτητη είσοδο. Σημαντική επισήμανση ασφαλείας Το PLC υλοποιεί τη λειτουργική λογική του αυτοματισμού, αλλά δεν αντικαθιστά αυτομάτως ένα πιστοποιημένο κύκλωμα ασφαλείας. Εφόσον η εκτίμηση κινδύνου το απαιτεί, η διακοπή έκτακτης ανάγκης πρέπει να υλοποιείται με κατάλληλα εξαρτήματα ασφαλείας και να διακόπτει αξιόπιστα την ενέργεια προς τον ενεργοποιητή. Πριν από κάθε εργασία: απομόνωση της τροφοδοσίας, έλεγχος απουσίας τάσης, ασφάλιση έναντι ακούσιας επαναφοράς, έλεγχος της συνδεσμολογίας από τον εκπαιδευτικό, εφαρμογή τάσης μόνο μετά από άδεια. Τελικό συμπέρασμα μαθητών Οι μαθητές καλούνται να συμπληρώσουν: Τα μπουτόν START λειτουργούν με λογική __________, επειδή αρκεί να πατηθεί __________ από αυτά. Τα μπουτόν STOP και το θερμικό λειτουργούν με λογική __________, επειδή πρέπει __________ να επιτρέπουν τη λειτουργία. Η επαφή __________ δημιουργεί την αυτοσυγκράτηση. Αν δοθεί ταυτόχρονα START και STOP, υπερισχύει το __________. Συμπέρασμα Τα μπουτόν START λειτουργούν με λογική OR, επειδή αρκεί να πατηθεί οποιοδήποτε από αυτά. Τα μπουτόν STOP και το θερμικό λειτουργούν με λογική AND, επειδή πρέπει όλα να επιτρέπουν τη λειτουργία. Η επαφή Q1 δημιουργεί την αυτοσυγκράτηση. Αν δοθεί ταυτόχρονα START και STOP, υπερισχύει το STOP.

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΩΝ

Στόχοι της Άσκησης Με την ολοκλήρωση της άσκησης οι μαθητές θα μπορούν: Σε επίπεδο γνώσεων  να διακρίνουν τις κανονικά ανοικτές και κανονικά κλειστές επαφές,  να εξηγούν την παράλληλη λογική των μπουτόν START,  να εξηγούν τη λογική σειράς των STOP και του θερμικού,  να αναγνωρίζουν τη λειτουργία της αυτοσυγκράτησης,  να ερμηνεύουν την προηγούμενη κατάσταση μιας εξόδου,  να εξηγούν την προτεραιότητα της εντολής STOP. Σε επίπεδο δεξιοτήτων  να χαρακτηρίζουν τις εισόδους και τις εξόδους ενός PLC,  να πραγματοποιούν ασφαλή συνδεσμολογία εισόδων και εξόδου,  να κατασκευάζουν πίνακα αληθείας,  να εξάγουν λογική εξίσωση,  να συντάσσουν πρόγραμμα σε γλώσσα Ladder,  να προσομοιώνουν και να ελέγχουν διαφορετικά σενάρια λειτουργίας,  να εντοπίζουν σφάλματα στη συνδεσμολογία ή στο πρόγραμμα. Σε επίπεδο στάσεων  να αντιμετωπίζουν το STOP και το θερμικό ως λειτουργίες αυξημένης προτεραιότητας,  να ακολουθούν διαδικασίες ασφαλούς εργασίας,  να μην εφαρμόζουν τάση πριν από τον έλεγχο της συνδεσμολογίας,  να συνεργάζονται και να τεκμηριώνουν τις επιλογές τους.