Releul programabil easyE4 (partea a 3-a)

• Utilizarea releului programabil easyE4 pentru construirea unui numărător de persoane într-o încăpere
• Circuitul basculant bistabil de tip RS – definirea modulului de utilizator
• Detectorul direcţiei de mişcare
• Memorarea stării numărătoarelor în cazul decuplării tensiunii de alimentare
• Simularea funcționării numărătorului cu easySoft 7
• Controlerul easyE4 – rezumat

Utilizarea releului programabil easyE4 pentru construirea unui numărător de persoane într-o încăpere

În primele părţi ale materialului, ne-am familiarizat deja cu modul de realizare a programului pentru easyE4 şi de transmitere a acestuia la releu. Am realizat deja interfaţa de utilizator şi am verificat funcţionarea acesteia. A rămas de realizat software-ul pentru operarea senzorilor (bariere luminoase), pentru recunoaşterea direcţiei de mişcare a persoanei şi generarea, pe baza acesteia, a impulsului de incrementare şi decrementare a stării actuale a numărătorului, şi anume numărul curent de persoane din încăpere. Pe baza acestuia vom putea controla funcţionarea unui semnalizator cu dublu indicator sau a unui întrerupător de iluminare, ventilaţie etc.

• Citiţi prima parte a articolului
• Citiţi a doua parte a articolului.

În automatizările industriale putem găsi multe exemple de soluţii de detectoare ale direcţiei de mişcare. Unii producători de semiconductoare fabrică circuite integrate, care, conectate la encoderul incremental, aplică la ieşiri semnale care definesc sensul şi viteza de rotaţie. Un asemenea encoder are două ieşiri (A şi B), pe care semnalul B este defazat faţă de semnalul A cu ±90 grade. În principiu, am putea folosi un asemenea circuit sau componentă discretă (construită din porţi şi registre), însă trebuie să reţinem că, în pofida secvenţei asemănătoare de semnale la intrările releului programabil, oamenii se pot comporta în moduri greu de prevăzut.

Cel mai simplu detector al direcţiei de mişcare poate fi realizat cu ajutorul unui registru de tip D. La intrarea de date a acestui registru vom conecta bariera 1, iar la intrarea de tact bariera 2. Distanţa dintre bariere o vom stabili astfel încât obiectul care se apropie dinspre senzorul 1 mai întâi să determine apariţia lui „1” logic la intrarea de date, iar apoi - cu menţinerea lui „1” logic la intrarea D - apariţia unui front ascendent la intrarea de tact, care va transcrie 1 logic de la intrarea de date la ieşirea registrului. La mişcarea dinspre senzorul 2, mai întâi va apărea un impuls de tact, care determină transcrierea lui 0 logic de la intrarea registrului D la ieşirea Q. Astfel, putem recunoaşte direcţia mişcării şi putem controla intrarea pentru sensul de numărare. O problemă distinctă o reprezintă faptul că impulsul de tact trebuie să apară abia atunci când este stabilită starea ieşirii registrului D. Poate fi folosit impulsul care apare la intrarea de tact a registrului D, însă trebuie adăugată o pistă de întârziere a acestui impuls, astfel încât să fie inclus timpul de propagare al registrului. Acum să analizăm situaţia în care o persoană intră în raza de acţiune a senzorului 1 şi se retrage. Aceasta nu ar trebui să fie o problemă, pentru că impulsul a apărut doar la intrarea de date a registrului şi nu determină modificarea stării ieşirii acestuia. Însă situaţia arată mai rău de cealaltă parte, deoarece această intrare/ieşire din raza de acţiune va fi identificată ca un ciclu complet. De aceea, circuitul nostru de detectare a direcţiei de mişcare nu doar că trebuie să reacţioneze la secvenţa completă de semnale, ci, în plus, trebuie să nu genereze impuls plus/minus pentru numărător dacă această secvenţă nu este realizată complet, adică dacă nu apar impulsuri la ambele intrări ale releului programabil, în acest caz fiind folosite I01 şi I02.

La realizarea detectorului direcţiei de deplasare a persoanei s-a considerat că acesta va avea două ieşiri de tact, care, în mod asemănător cu tastele „dreapta”/„stânga” sau „sus”/„jos” folosite în acest program, vor genera impulsuri de tact la două ieşiri separate. Una dintre aceste ieşiri va determina incrementarea stării numărătorului, cea de-a doua - decrementarea. De generarea de semnal pentru blocul numărătorului se vor ocupa porţile logice amplasate în aceeaşi reţea cu numărătorul. În plus, detectorul va fi insensibil la posibila „clipire” a semnalului prezent la intrările sale. Semnalul plus/minus va fi generat dar atunci când este îndeplinită secvenţa:

• Incrementarea stării numărătorului: impuls la I01 –> impuls la I02.
• Decrementarea stării numărătorului: impuls la I02 –> impuls la I01.

Cea mai bună metodă de protecţie împotriva „clipirii” semnalului la intrare este utilizarea unui circuit basculant bistabil de tip RS. Acesta are avantajul că, după aplicarea de tensiune la intrarea de setare a ieşirii (SET) sau de aducere la zero (RESET), bistabilul rămâne în stare stabilă, indiferent dacă nivelul logic la intrarea SET se modifică sau nu. În detectorul de direcţie a mişcării propus, la ambele intrări ale releului easyE4 (I01, I02) sunt folosite bistabile RS. Acestea sunt setate printr-un nivel înalt al tensiunii la intrarea corespunzătoare şi rămân setate până la aducerea la zero.

Cel mai bine ar fi ca impulsul de aducere la zero a ambelor bistabile RS să fie impulsul de intrare al numărătorului, deoarece recepţionarea acestuia ar înseamna că ciclul de detectare a direcţiei de mişcare s-a încheiat în mod corect, detectorul a generat impuls pentru numărător şi este pregătit pentru următoarea secvenţă de semnale. Însă persoana numărată poate intra în raza de acţiune a unuia dintre senzori sau între aceştia şi, în această situaţie, la intrarea releului programabil va apărea doar unul dintre semnale şi nu cele două necesare pentru o detecţie corectă. Cum să aducem atunci la zero bistabilele de intrare şi pe care dintre acestea? Se pare că cel mai bine este să le aducem la zero pe amândouă, pur şi simplu după trecerea unui timp, nu prea lung, destinat întregului ciclu. Acest timp, în software sau în soluţiile hardware, este denumit timeout sau, în traducere, limita timpului de operare.

Circuitul basculant bistabil de tip RS – definirea modulului de utilizator

Pentru a crea un modul de utilizator alegem din meniu Program –> Creare modul utilizator. Putem folosi şi iconiţa scurtătură (simbolul unei porţi cu o stea pe bara meniului) sau putem da clic dreapta cu mouse-ul pe poziţia Module utilizator, sub lista modulelor producătorului. În urma activării opţiunii din meniu, va fi afişată o fereastră ca în figura 2. În aceasta vom introduce denumirea modulului nostru (de exemplu RS) şi, foarte important, numărul şi tipul de intrări/ieşiri. Acum ne ajung 1 intrare binară şi 2 ieşiri.

Figura 2. Fereastră proprietăţi modul utilizator

Modulul de utilizator creat de noi va fi compus doar din câteva elemente: două porţi, contacte la intrare şi bobine la ieşire. Va trebui să folosim şi un marker pentru legarea intrării cu ieşirea. Pentru un număr atât de mic de componente este suficientă o singură reţea.

Ar fi mai comod să realizăm conexiunile aşa cum se arată în schemă, însă acest lucru nu este posibil. Elementele sunt aşezate de software unul în spatele celuilalt, aşadar trebuie să planificăm o dispunere „plată” a acestora. Aşezarea blocurilor de utilizator o vom începe, cel mai bine, de la elementul de ieşire NAND. La una dintre intrările acestuia conectăm ieşirea celuilalt element NAND şi un contact. La intrarea primului NAND conectăm două contacte. A mai rămas de realizat ieşirea - la cea de-a doua poartă NAND ataşăm două bobine. Acum să ne ocupăm de proprietăţile diferitelor contacte şi bobine:

1. Contacte la intrare (primul element NAND din stânga):

• Tip: Intrări, ieşiri şi markeri binari; Comentariu: SET; Tip logică: Normal închis; Operand: I
  • Intrare; Număr: 1.
• Tip: Intrări, ieşiri şi markeri binari; Tip logică: Normal deschis; Operand: M - Marker; Număr: 1.

1. Contacte la ieşire (al doilea element NAND):

• Tip: Ieşiri şi markeri binari; Comentariu: Q; Funcţie bobină: Bobină obişnuită negată; Operand: Q
  • Ieşire; Număr: 1.
• Tip: Ieşiri şi markeri binari; Funcţie bobină: bobină obişnuită; Operand: M - Marker; Număr: 1.

Au mai rămas de setat proprietăţile contactului destinat semnalului de aducere la zero RESET: Tip: Intrări, ieşiri şi markeri binari; Comentariu: RESET; Tip logică: Normal închis; Operand: I - Intrare; Număr: 2.

Modulul funcţional pe care l-am realizat trebuie să arate ca în figura 3.

Figura 3. Modul funcţional bistabil RS

Dăm clic pe fila cu numele modulului pe care l-am creat şi alegem Închidere. Mediul de programare va întreba dacă să memoreze modulul pe disc - confirmăm şi dăm modulului numele ales. Din acest moment, definiţia pe care am realizat-o este disponibilă în lista de module şi este gata de utilizare.

Posibilitatea definirii de module este un instrument esenţial. Cu ajutorul acestuia, ne putem crea o bibliotecă de soluţii gata de utilizare, care va simplifica în mod considerabil crearea următoarelor programe şi, de asemenea, poate facilita munca echipei noastre sau a colaboratorilor. Totodată, poate fi împărţită munca în cadrul echipei - fiecare va realiza şi testa un anumit element, care apoi va fi integrat ca parte a unui întreg coerent. În cazul unei aplicaţii simple şi al controlerului easyE4 de la Eaton, acest lucru nu este necesar, dar este un bun obicei de lucru, care poate fi util în cazul proiectelor mai complexe.

Detectorul direcţiei de mişcare

Pentru a înţelege funcţionarea detectorului direcţiei de mişcare, recomandăm deschiderea programului disponibil în materialele suplimentare ataşate la articol. Este posibilă includerea de desene ale tuturor reţelelor descrise, însă mai comod este să le vizualizaţi (inclusiv legăturile dintre ele), în timpul lecturii, pe ecranul mediului de programare easySoft 7. Dacă aveţi îndoieli sau dacă descrierea este prea lungă, puteţi porni simulatorul şi puteţi observa cum se comportă programul în timp ce daţi clicuri în acesta. Mai ales că descrierea funcţionării diferitelor reţele (care conţin uneori o singură poartă) desprinse unele de altele nu este una uşoară.

Descărcaţi programul

Schema detectorului direcţiei de mişcare va începe de la reţeaua număr 0010. De la reţeaua cu numărul 0010 până la cea cu numărul 0016 sunt amplasate elemente logice,care răspund de operarea intrării I01, iar de la 0017 până la sfârşit, până la reţeaua 0023, se află elemente care operează intrarea I02. Cele două părţi sunt simetrice şi realizate după modelul detectorului succesiunii de impulsuri (detector în cuadratură) cu bistabil de tip D. Având în vedere că detectoarele în cuadratură funcţionează cu semnale defazate cu 90 de grade, iar cel din numărătorul de persoane trebuie să reacţioneze la secvenţele „lipsă – I01 – lipsă – I02 – lipsă” sau „lipsă – I02 – lipsă – I01 – lipsă”, au fost adăugate bistabile de tip RS care memorează stările intrărilor, protejează împotriva clipirii semnalului la intrări şi generează defazajul necesar în detectorul în cuadratură.

La ambele bistabile au fost adăugate timere care măsoară timpul limită al operaţiunii, generează impulsul de aducere la zero a bistabilelor RS de intrare şi de ieşire, precum şi porţi de blocare a impulsurilor de intrare până la aducerea la zero a bistabilelor, şi anume până la momentul în care acestea sunt gata pentru un nou ciclu de detectare. Diferitele elemente sunt aşezate şi conectate în scheme la fel cum s-a descris anterior şi nu are sens să reluăm. Analiza funcţionării detectorului o vom efectua cel mai bine cu ajutorul simulatorului, pe care îl activăm cu ajutorul butonului Simulare. Din păcate, schema în easySoft 7 trebuie divizată în reţele mici şi, din această cauză, este greu de analizat. De aceea, cel mai bine este ca persoanele meticuloase şi care doresc să aprofundeze subiectul să îşi printeze diferitele reţele şi să traseze schema compusă din porţi logice. Atunci elementele bistabilului D vor putea fi diferenţiate cu uşurinţă şi vor putea fi separate de funcţionalităţile adăugate de blocare şi aducere la zero a bistabilelor.

Memorarea stării numărătoarelor în cazul decuplării tensiunii de alimentare

Din punctul de vedere al utilizatorului, este comod ca, în cazul întreruperii tensiunii de alimentare, să nu trebuiască să introducă din nou setările, ci doar, eventual, să corecteze valoarea curentă indicată. În acest scop, în aplicaţia descrisă, trebuie să memorăm şi să reproducem conţinutul a două numărătoare - este vorba de modulele C01 şi C02.

Producătorul mediului de programare a denumit caracteristica de memorare şi reproducere a stării modulelor sau markerelor remanenţă. Dacă doriţi să citiţi mai mult pe această temă, accesaţi secţiunea „Ajutor” disponibilă după semnul „?” de pe bara meniului (de asemenea, puteţi apăsa F1). Pe fila „Căutare” introduceţi cuvântul „remanenţă” (în engleză „retention”). Puteţi utiliza şi meniul manualului de utilizare disponibil în aceeaşi secţiune.

Pentru octeţii remanenţi, adică reproduşi după cuplarea alimentării, este destinată o memorie de 400 octeţi. Probabil este vorba de un circuit integrat distinct sau de un fragment din memoria procesorului, alimentat dintr-o sursă separată, de exemplu un supercondensator sau o baterie. Aşa cum se menţionează în meniul de ajutor referitor la modulul de numărător „C”, memorarea/reproducerea stării acestuia necesită 4 octeţi de memorie, aşadar în 400 de octeţi vor avea loc fără dificultate două numărătoare.

Pentru a activa memorarea/reproducerea conţinutului numărătorului, daţi clic pe butonul aflat în colţul din stânga jos „Proiect”. Alegeţi apoi fila „Setări de sistem”. Al treilea câmp din stânga este „Remanenţa” (figura 4). În acest moment, trebuie observată valoarea din câmpul „Liber:” – în exemplu se vede valoarea de 400 de octeţi. Fiecare modul de numărător „C” necesită 4 octeţi.

Figura 4. Câmpul „Remanenţă”

Pentru aplicaţia descrisă, important este conţinutul modulelor de numărătoare C01 şi C02, prin urmare în câmpul de valoare de lângă „C” vom introduce „01”, iar în următorul „02”, ca în figura 5. Celelalte câmpuri, precum modulele de numărătoare rapide „CH”, modulul de numărător de incrementare „CI”, modulul de date „DB” şi modulul de releu de timp „T” vor fi omise. În acest moment nu ne vom ocupa nici de markeri (MW, MB, MD). Este uşor de observat că, după introducerea corectă a intervalului, valoarea „Liber” scade cu 8 octeţi, aşadar cu valoarea necesară pentru memorarea a două module de numărătoare.

Figura 5. Câmpul „Remanenţă” după introducerea setărilor pentru numărătoarele C01 şi C02

Simularea funcționării numărătorului cu easySoft 7

Mediul de programare easySoft 7 are un simulator integrat, care permite verificarea funcţionării programului, vizualizarea stării intrărilor, ieşirilor şi a nivelurilor logice care apar pe diferitele elemente ale schemei FBD. Cu ajutorul simulatorului avem posibilitatea de a testa funcţionarea programului şi de a găsi erorile, însă, din motive evidente, condiţiile de lucru nu vor fi exact aceleaşi cu cele în care funcţionează aplicaţia noastră în realitate. Acum vom folosi simulatorul pentru a verifica funcţionarea aplicaţiei numărătorului de persoane.

Simulatorul porneşte printr-un clic pe butonul „Simulare” aflat în partea din stânga jos a ferestrei mediului easySoft 7. Atunci când simulăm funcţionarea numărătorului vom lăsa majoritatea parametrilor şi nu vom seta niciun punct critic, cu toate acestea simulatorul are posibilităţi foarte interesante, pe care în zadar le vom căuta la produsele comparabile ale concurenţei. În afară de setarea de puncte critice, permite, de exemplu, folosirea unui osciloscop virtual, care va prezenta formele de undă ale semnalelor alese. Să îi testăm posibilităţile verificând programul pe care l-am realizat.

Având deschis programul „Numărător de persoane v11.e70”, dăm clic pe butonul „Simulare”, iar apoi derulăm lista aflată deasupra acestuia Afişaj şi dăm clic pe Fereastra operanzi + osciloscop. În partea dreaptă va fi arătată Fereastra operanzi + osciloscop goală. Dăm clic pe na simbolul steluţei (*) din coloana Operand şi introducem M05. Alături, în coloana Comentariu, ar trebui să fie afişat mesajul IMPULSURI ÎN SUS. După ce dăm clic în coloana Osciloscop, vor fi afişate semnul bifă (checkmark) şi canalul analizorului de stări logice în fereastra Osciloscop. În acelaşi mod vom adăuga: M04 (IMPULSURI ÎN SUS), I01 (INTRARE 1) şi I02 (INTRARE 2). Ar trebui să obţinem efectul din figura 4.

Figura 6. Ecranul osciloscopului după configurare

Pornim simulatorul apăsând F9 sau alegând din meniu Simulare –> Începe. Din meniu alegem Osciloscop –> Înregistrare start (sau folosim iconiţa corespunzătoare din bara de unelte - un pătrat cu un cerculeţ roşu). În partea stângă a ecranului ar trebui să avem lista derulată Afişaj. Pe aceasta dăm clic pe Afişaj + taste. În partea de jos a ferestrei va fi afişat ecranul de lucru al aplicaţiei numărătorului nostru şi aici, cu ajutorul tastelor dreapta/stânga vom seta valoarea PERMIS mai mare decât 0, de exemplu 5, ca în exemplul 5. Acum dăm clic pe Afişaj –> Intrare digitală, iar apoi, în ordine, de două ori în pătrăţelul de lângă 1:INTRARE 1 şi 2:INTRARE 2.

Figura 7. Ecranul numărătorului în timpul simulării (cu numărul admis introdus al persoanelor din încăpere).

Efectul funcţionării osciloscopului este prezentat în figura 6. În aceasta se vede că primul apare impulsul la intrarea I01, iar următorul la I02. În acelaşi timp cu frontul ascendent la I02, este generat un impuls la ieşirea M05:IMPULSURI ÎN SUS, ceea ce determină incrementarea cu o unitate a conţinutului numărătorului ÎN MOMENTUL ACTUAL şi afişarea acestei valori pe ecran. Aplicarea impulsurilor în ordine inversă determină generarea unui impuls la ieşire M04:IMPULSURI ÎN JOS şi decrementarea conţinutului numărătorului ÎN MOMENTUL ACTUAL. Pe ecranul osciloscopului mai putem adăuga, de exemplu, ieşiri şi putem observa cum se modifică nivelurile prezente pe acestea în ritmul impulsurilor de la I01 şi I02, însă în această situaţie pare a fi, mai degrabă, un exces de informaţii. Starea ieşirilor poate fi observată la fel de bine dând clic pe Afişaj –> Ieşiri digitale.

Figura 8. Forme de undă la intrările/ieşirile numărătorului în cursul simulării

Datorită osciloscopului putem observa că următoarele persoane vor fi detectate abia după expirarea timpului limită stabilit pentru operaţiune (în cazul nostru 2,5 secunde), prin urmare dacă barierele sunt aşezate aproape una de alta, acest timp poate fi scurtat. De asemenea, se poate observa că în secvenţa de impulsuri la care numărătorul funcţionează corect, acestea se pot suprapune. Acest lucru se întâmplă dacă barierele sunt montate prea aproape una de alta. După verificarea funcţionării programului, este suficient ca acesta să fie trimis la controlerul easyE4, să fie aduse semnalele de la intrările senzorilor şi să fie conectat semnalizatorul. În fotografia 7 este prezentată aplicaţia gata de utilizare, montată într-o cutie din plastic, folosită de obicei pentru tablourile de distribuţie din locuinţe. Lângă controler, sub clapeta deschisă este montat butonul de aducere la zero.

Fotografia 9. Numărător de persoane realizat pe baza releului programabil easyE4

Controlerul easyE4 – rezumat

În trei articole am pregătit aplicaţia pentru un numărător de persoane. Aceasta poate fi utilizată în două moduri: fie pentru semnalizarea depăşirii numărului admis de persoane dintr-o incintă, introdus în urma unor cerinţe de siguranţă, fie pentru pornirea/oprirea iluminării sau a ventilaţiei dintr-o încăpere în care acestea trebuie să funcţioneze doar atunci când în interior se află cineva. În echipament a fost folosită caracteristica de remanenţă, prin urmare software-ul permite ca blocurile numărătoarelor care conţin setări şi starea curentă să fie salvate în memoria nevolatilă şi restabilite în momentul cuplării tensiunii de alimentare. Prin urmare, în caz de întrerupere a tensiunii nu trebuie să setăm din nou parametrii numărătorului - la nevoie, este suficient să numărăm persoanele aflate în încăpere şi să corectăm valoarea indicată.

Totuşi, controlerul easyE4 reprezintă un pas enorm înainte faţă de produsele mai vechi. Mediul de programare easySoft 7, deja foarte bun, va fi cu siguranţă perfecţionat în continuare.

În trecut, în diferite aplicaţii dominau controlere destinate unei utilizări concrete. Acum, pe exemplul easyE4, este uşor de observat că nu merită să fie realizate pe baza microcontrolerelor disponibile. Pentru un preţ relativ mic, ne vom putea procura un controler cu procesor rapid, într-o carcasă solidă pentru montare pe şină, cu afişaj şi tastatură integrate. Astfel, acesta poate fi conectat cu uşurinţă la reţea, poate comunica cu mediul, funcţionalităţile acestuia pot fi extinse la fel de uşor şi, lucru extrem de important în orice utilizare profesională, dispozitivul este conform cu numeroase standarde armonizate, inclusiv pentru mediile industriale. Putem aşadar să fim siguri că oferim utilizatorului un echipament ale cărui componente au fost testate în detaliu într-un laborator autorizat şi în spatele căruia se află marca şi renumele producătorului.

Transfer Multisort Elektronik (TME) este unul dintre cei mai mari distribuitori globali de componente electronice, piese electrotehnice, echipamente de atelier și automatizare industrială. Catalogul include peste 1.500.000 de produse de la 1.300 de producători de top. Centrele logistice moderne ale TME din Łódź și Rzgów (Polonia), cu o suprafață totală de peste 40.000 m², trimit zilnic aproape 6.000 de pachete către clienți din peste 150 de țări.

TME investește, de asemenea, în dezvoltarea cunoștințelor și abilităților tinerilor ingineri și pasionați de electronică prin proiectul TME Education și sprijină comunitatea tehnologică organizând seria de evenimente TechMasterEvent, promovând inovația și schimbul de experiență.