9. OBRADA SIGNALA - Signali u procesu automatizacije se mogu pretvarati na konvencionalan nain kao vrijednost pneumatskog tlaka ili na elektrini nain kao vrijednost elektrinog napona ili jakosti - Tako npr. pneumatski signal od 3 do 15 psi moe predstavljati protok tekuine od 0 do 600 litara u minuti, odnosno elektrina struja jakosti 0d 4 do 20 mA moe predstavljati temperaturu od -100C do +400C - Za navedene signale se kae da su kontinuirano varijabilni jer mogu zauzeti bilo koju vrijednost izmeu dvije krajnje granice - Npr. oitanje temperature od 250C biti e predstavljeno signalom elektrine jakosti od 15.2 mA, odnosno protok od 540 litara u minuti biti e predstavljen pneumatskim tlakom od 13.8 psi u mjerau protoka - U navedenim primjerima elektrini ili pneumatski signal se koristi kao analogna vrijednost (analogni signal) procesne varijable (ulaznog signala) i ta analogna vrijednost slijedi promjenu procesne varijable unutar granica preciznosti senzorskog ureaja1

- Ovakvi ureaji se zovu analogni sustavi - Za razliku od analognih sustava, digitalni sustavi rade sa signalima koji mogu imati samo odreenu vrijednost - Veina digitalnih sustava radi s elektrinim signalima koji mogu imati samo dvije vrijednosti, 5 V ili 0 V, na primjer. - Sustav s dvije vrijednosti svojstven je veini digitalnih sustava automatizacije pa je tako npr. svijetlo upaljeno ili ugaeno (on ili off), ventil je otvoren ili zatvoren, motor radi ili je zaustavljen, itd. - Na slici 126. prikazane su dvije metode mjerenja razine tekuine - U sluaju 126.a) plovak je mehaniki povezan s potenciometrom koji daje izlazni signal proporcionalan s mjerenom razinom tekuine - Unutar rezolucijskih limita potenciometra, napon moe biti bilo koja vrijednost izmeu 0 V i 10 V, ovisno o razini mjerene tekuine. - Ovaj sluaj je primjer analognog sustava2

Slika 126. Usporedba analognih i digitalnih sustava: a) analogni sustav, b) digitalni sustav

- U sluaju 126. b) koriste se tri elektrode A, B i C kao mjerni ureaji razine (imaju funkciju prekidaa) - Ovi tzv. prekidai mogu biti u poziciji ON ili OFF, gdje je pozicija ON definirana kada je elektroda uronjena u tekuinu - Prema slici 126. b) postoje 4 mogua stanja prekidaa A, B i C kako je definirano na slici 127.3

Slika 127. Stanja prekidaa A, B i C

- Uz stanja navedena na slici 127. postoje jo 4 mogue kombinacije prekidaa A, B i C, ali u tom sluaju sve 4 kombinacije signaliziraju greku prekidaa (npr. A je ON, B je OFF, C je ON) - Shema na slici 126. b) koristi ON/OFF izlazne signale pa je prema tome primjer digitalnog sustava

4

Vrste digitalnih krugova - Digitalni krugovi koji se koriste u digitalnim sustavima mogu se podjeliti u tri tipa - Najjednostavniji tipovi koriste kombinacijsku logiku (statiku logiku) i prikazani su na slici 128. a) - Takvi tipovi imaju nekoliko digitalnih ulaznih signala te jedan ili vie digitalnih izlaznih signala - Izlazni signali su jedinstveno definirani za svaku kombinaciju ulaznih signala, te jednaka kombinacija ulaznih signala dati e uvijek jednaki izlazni signal - Digitalni krugovi s sekvencijskom (redoslijednom) logikom slini su sustavima s kombinacijskom logikom, samo ovdje izlazni signal ovisi ne samo o ulaznim signalima, nego i o podatku o prijanjem stanju sustava (to je sustav radio prije ovih ulaznih signala) - Sustavi sa sekvencijskom logikom stoga imaju memoriju i elemente za pohranu informacija - Vrlo jednostavan primjer digitalnih krugova s sekvencijskom logikom je starter motora na slici 128. b)5

Slika 128. Tipovi digitalnih sustava, digitalni krugovi s kombinacijskom i sekvencijskom logikom: a) sustav s kombinacijskom logikom, b) starter motora, c) rad startera motora, d) sustav s sekvencijskom logikom6

- Ulazni signal za start motora izaziva poetak rada motora i motor e nastaviti raditi i u sluaju da vie nema ulaznog signala za start motora - Ulazni signal za zaustavljanje motora zaustavlja rad motora - Bitno je naglasiti da e motor biti u radu ili e biti zaustavljen ak i u sluaju da su uklonjenjeni ulazni signali, tj. stanje motora e ovisiti o zadnjem ulaznom signalu koji je djelovao na motor - U ovakvom sluaju izlazni signal nije samo definiran ulaznim signalom ve i memorijom ureaja koji prima ulazne signale - Primjer sekvencijske logike prikazan je i na slici 128. d) - Digitalni krug ima tri ulazna signala (start i dva granina prekidaa) i dva izlazna signala (produi, povuci) - Ulazni signal za start izaziva produenje hidraulinog nosaa do dodira s graninim prekidaem LS1 (limit switch)

7

- Nakon toga hidraulii nosa se povlai dok ne dodirne prekida LS2, te se zadrava u toj toki do primitka novog ulaznog signala za start - Trea vrsta digitalnih krugova koristi digitalni signal za predstavljanje brojeva i za operacije s brojevima - U ovakve sustave spadaju jednostavni brojai i digitalni displej ureaji, te sloeni aritmetiki i raunalni krugovi Logiki prolazi (logic gates) - Najjednostavniji digitalni ureaj je elektromagnetski relej - Na slici 129. prikazani su temeljni naini rada elektromagnetskih releja - Slika 129.a) prikazuje zavojnicu Z koja e se staviti pod napon kada su osigurani kontakti A i (AND) kontakt B i (AND) kontakt C - Serijski povezani kontakti izvode funkciju AND

8

- Za razliku od sluaja 129. a), u sluaju 129. b) zavojnica Z e doi pod napon kada je osiguran kontakt A ili (OR) kontakt B ili (OR) kontakt C

- Paralelni spoj kontakata daje funkciju OR

- Na slici 129. c) zavojnica Z je pod naponom kada je prekida PB1 pritisnut

- Standardno zatvoreni kontakt Z kontrolira zavojnicu Y, kada je zavojnica Z pod naponom, zavojnica Y nije i obratno (inverzno)

- Funkcija standardno zatvorenog kontakta je da proputa elektricitet kada je zatvoren, odnosno kada je otvoren ne proputa elektricitet

9

- Kada prekida PB1 nije pritisnut nema protoka elektriciteta kroz njega i zavojnica Z nije pod naponom, istovremeno standardno zatvoreni kontakt Z je zatvoren i proputa elektricitet i zavojnica Y je pod naponom

- Pritiskom na prekida PB1 osigurava se protok elektriciteta do zavojnica Z i ona se stavlja pod napon, a istovremeno se standardno zatvoreni kontakt otvara to uzrokuje prekid protoka elektriciteta i zavojnica Y vie nije pod naponom

- Ovo je djelovanje INVERT funkcije

- Digitalni krugovi kombinacijske logike grade se oko funkcija AND, OR i INVERT

- Na slici 130. zavojnica Z e biti pod naponom kada je standardno zatvoreni kontakt zatvoren i (AND) kontakti B ili (OR) C otvoreni

10

- Jednostavniji nain opisivanja sloenijih kombinacija od verbalnog je pomou matematikih formula

- Tako je slika 130. a) opisana:

- Gdje je povlaka iznad slova A simbol za standardno zatvoreni kontakt

Slika 129. Jednostavna relejna logika: a) AND funkcija b) OR funkcija, c) INVERT funkcija11

Slika 130. Primjeri relejne logike

- Slino kao i na 130. a), shema na 130. b) moe se izraziti matematikom jednadbom:

12

- Navedene jednadbe poznate su kao Booleanove jednadbe - Releji mogu izvoditi sve logike funkcije ali su spori (svega 20 operacija u sekundi) i troe puno energije - Elektroniki krugovi koji izvode iste operacije kao i releji zovu se logiki prolazi (logic gates) i rade sa signalima koji mogu biti samo u dva stanja - Signal u kombinacijskoj logici npr. moe imati vrijednost 12 V ili 0 V i moe predstavljati granini prekida koji je ili otvoren ili zatvoren - Na slici 131. prikazan je digitalni krug jednostavnog AND logikog prolaza - Izlazni signal Z biti e jednak nioj vrijednosti jednog od dva ulazna signala A i B, tj. izlazni signal Z biti e 1 samo ako je vrijednost oba ulazna signala 1

Slika 131. AND logiki prolaz: a) elektrini krug, b) tablica istine, c) logiki simbol

13

- Na slici 131.a) prikazan je dijagram elektrinog kruga logikog prolaza AND, a na slici 131.b) prikazana je tzv. tabela istine za razliite vrijednosti ulaznih signala A i B - Simbol za AND logiki prolaz prikazan je na slici 131.c) - Na slici 132. prikazan je OR logiki prolaz - Izlazni signal Z biti e jednak veoj vrijednosti od dva ulazna signala A i B, pa e stoga izlazni signal Z biti jednak 1 ako je bilo koji od dva ulazna signala ima vrijednost 1 - I na ovoj slici pod a) je prikazana shema elektrinog kruga, pod b) tabela istine za OR logiki prolaz, a pod c) logiki simbol OR funkcije

Slika 132. OR logiki prolaz: a) elektrini krug, b) tablica istine, c) logiki simbol14

- Logiki prolaz INVERT prikazan je na slici 133. - Funkcija INVERT data je primjerom jednostavnog zasienog tranzistora (133.a) - Kada je A = 0, tranzistor je iskljuen, te je izlazni signal Z postavljen na stanje 1 pomou elektrinog otpornika - Kada je ulazni signal A = 1 tranzistor je zasien postavljanjem izlaznog signala Z na 0 V, i sami izlazni signal je 0

Slika 133. INVERT logiki prolaz: a) elektrini krug, b) tablica istine, c) logiki simbol15

- Osim navedenih logikih prolaza s funkcijama AND, OR i INVERT postoje i kombinacije logikih prolaza kao to su XOR (exclusive OR), NAND (NOT AND) i NOR (NOT OR) - Na slici 134. prikazan je XOR logiki prolaz koji se temelji na slici 130.b) - Iz tabele istine vidi se da je izlazni signal Z = 1 samo ako je vrijednost jednog od ulaznih signala jednaka 1

Slika 134. XOR logiki prolaz: a) logiki dijagram, b) tablica istine, c) logiki simbol16

- Na slici 135. prikazan je NAND logiki prolaz

Slika 135. NAND logiki prolaz: a) logiki dijagram, b) tablica istine, c) logiki simbol

- U logikom prolazu NAND funkcija INVERT dodana je poslije funkcije AND i formiran je logiki prolaz NAND (NOT AND) - Na slici 136. prikazan je logiki prolaz NOR

Slika 136. NOR logiki prolaz: a) logiki dijagram, b) tablica istine, c) logiki simbol17

- Logiki prolaz NOR formiran je dodavanjem funkcije INVERT iza funkcije OR - Bitno je napomenuti da su logiki simboli funkcija NAND i NOR gotovo jednaki logikim simbolima funkcija AND i OR , uz dodatak malog kruga na kraju simbola - Taj krug oznaava dodatak funkcije INVERT iza osnovnih funkcija AND ili OR, tj. oznaava inverznu operaciju - Logike obitelji - Elektrini krugovi prikazani na slikama 131., 132. i 133. ilustriraju osnove rada logikih prolaza ali takoer posjeduju nekoliko nedostataka - Elektrini napon koji opada prolaskom kroz diode moe izazvati ozbiljnu degradaciju ukupne veliine napona nakon prolaska kroz nekoliko logikih prolaza - Takoer i brzina prolaska signala kroz logike prolaze opada zbog djelovanja elektrinih otpornika - Veina logikih obitelji izraena je od integriranih elektrinih krugova i posjeduje veliku brzinu djelovanja18

- Najpoznatije logike obitelji integriranih elektrinih krugova su: - TTL (transistor transistor logic tranzistor tranzistor logika) - CMOS (complementary metal oxide semiconductor logic logika komplementarnog poluvodia metalnog oksida) - ECL (emitter coupled logic logika spojenih emitera) - Logike obitelji CMOS i TTL esto se koriste u industrijskim aplikacijama, a ECL se koristi u aplikacijama gdje je potrebna jako velika brzina djelovanja - Takoer je bitno promotriti kako pojedini faktori kao to su brzina i um utjeu na rad logikih krugova Brzina - INVERT logiki prolaz ne reagira istovremeno s promjenom vrijednosti ulaznog signala - Za ulazne signala odreene brzine, izlazni signali e biti u odreenom zakanjenju kao to je prikazano na slici 137.

19

- Zakanjenje ili kanjenje se ovdje zove kanjenje rasprostiranja tpd i definirano je kao vrijednost izmeu srednje vrijednosti ulaznog signala i srednje vrijednosti izlaznog signala - Granine brzine definirane su vremenima porasta tr (od 0 do 1) i pada tf (od 1 do 0) - Vremena porasta i pada mjere se mjestima 10%-tne i 90%-tne vrijednosti izlaznog signala - Kanjenje rasprostiranja i vremena porasta i pada odreuju maksimalnu brzinu pri kojoj logike obitelji rade (TTL 10 MHz, CMOS 5 MHz, ECL preko 500 MHz)Slika 137. Definicije brzine: a) kanjenje rasprostiranja, b) vremena porasta i pada20

Imunitet na um - Elektrina interferencija moe izazvati poremeaj signala pa tako se moe dogoditi da se signal vrijednosti 1 pojavi kao signal vrijednosti 0 - Svojstvo logikog prolaza da odbija takve poremeaje odnosno takve umove zove se imunitet na um (noise immunity) TTL logika obitelj - TTL je najuspjenija logika obitelj i temelji se na NAND logikim prolazima - TTL s dva ulaza na NAND logiki prolaz prikazan je na slici 138.

Slika 138. TTL logika obitelj

21

- Postoji najmanje est verzija TTL logikih obitelji s razliitim brzinama i kanjenjima rasprostiranja - est najeih tipova dato je na slici 139.

Slika 139. Najei tipovi TTL logikih obitelji

- TTL logike obitelji su dio tzv. serije 74 (razvijene od tvrtke Texas Instruments) - Svi tipovi rade na struji napajanja od 5 V i koriste logike razine 3.5 V za vrijednost signala 1, te 0 V za vrijednost signala 0 - Sufiksi na slici 139. koriste se radi lake indentifikacije razliitih tipova TTL logikih obitelji22

CMOS logika obitelj - CMOS logika obitelj je virtualno idealna logika obitelj jer moe raditi na irokom rasponu vrijednosti elektrinog napajanja (od 3 V do 15 V), troi jako malo energije i ima visoki imunitet na um - CMOS nije brz kao TTL ili kao ECL (brzina mu je 5 MHz), ali navedena brzina mu je dovoljna za veliku veinu industrijskih primjena - Ove logike obitelji sastavljene su od poluvodikih tranzistora koji su izraeni od metalnih oksida - U CMOS logikim obiteljima mogu se formirati razliiti logiki prolazi kao npr. Logiki prolaz INVERT na slici 140.

Slika 140. CMOS s INVERT logikim prolazom

23

ECL logika obitelj - ECL je najbra komercijalna logika obitelj i moe raditi brzinama od 500 MHz - Kada se radi s ovako velikim brzinama potrebno je biti jako paljiv s izvedbom elektronikih krugova da se izbjegne um uslijed napajanja energijom - Upravo problem s niskim imunitetom na um je glavni nedostatak ECL logikih obitelji, pa je upotreba ECL- a u industrijskim primjenama ograniena samo tamo gdje je potreba za jako velikim brzinama Odabir logike obitelji - Do kasnih 80-ih godina dizajneri su mogli birati izmeu TTL i CMOS logikih obitelji - Od tada postoji tendencija da se spoje te dvije vrste logikih obitelji - Tako se CMOS vrste po svojoj brzini pribliavaju TTL vrstama, a TTL vrste se po manjoj potronji energije pribliavaju CMOS tipovima

24