KURZUS: Számítógépes folyamatirányítás

MODUL: A folyamat

2.1. lecke: A folyamatjelek

| A folyamatirányító számítógép számára a technológiai folyamat kizárólag jelek halmazát jelenti. A folyamat és a környezet aktuális állapotát jelek közvetítik. Másfelől, a folyamat a számítógép irányító hatását is jeleken keresztül érzékeli, vagyis a számítógép maga is csak egy jelhalmaz - a folyamat szempontjából.
Vonatkoztatási pontként most és a későbbiekben is a számítógépet tekintjük, így azokat a jeleket, melyek a folyamatból származnak, bemeneti jeleknek, azokat pedig, melyeket a számítógép küld ki a folyamat felé, kimeneti jeleknek fogjuk nevezni.
A jelek hordozhatnak hasznos információt (ez a kívánatos eset és a természetes igény), de előidézhetnek információtorzító, káros hatást is (ez a nemkívánatos, de valóságos helyzet). A hasznos jeleket folyamatjeleknek, a torzító hatású jeleket zavarjeleknek nevezzük.
Cél: A lecke célja, hogy a tananyag felhasználója
megismerje a számítógép és a folyamat kapcsolatát biztosító jeleket; megismerje e jelek felosztásának szempontjait és az egyes szempontok szerinti típusait; részletes képet kapjon az egyes folyamatjel-típusok jellemzőiről.
Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha
meghatározni a folyamatjel fogalmát; el tudja mondani a folyamatjelek osztályozásának szempontjait; részletekbe menően ismeri az egyes jeltípusok funkcióját és jellemzőit; valamely konkrét jel besorolását el tudja végezni a megismert szempontok szerint.
Időszükséglet: 1.5 óra
Kulcsfogalmak:
folyamatjel, zavarjel, jelátalakító, analóg bemeneti jel, digitális bemeneti jel, digitális kimeneti jel, analóg kimeneti jel.
A technológiai folyamat állapotát jellemző, valamint az állapotot befolyásolni képes jelek az esetek nagy többségében nem villamos jelek, vagy ha azok is, nem alkalmasak közvetlen számítógépes feldolgozásra, a számítógép kimeneti jelei pedig nem alkalmasak közvetlen beavatkozásra. Emiatt a számítógép és a folyamat közé mindkét irányban egy jelátalakítókból álló kiterjedt és népes készülék-komplexum ékelődik, amely a folyamat és a számítógép "nyelvét" kölcsönösen lefordítja egymásra. E jelátalakítók fajtáival, működésükkel nem foglalkozunk; az egy önálló műszaki szakterület, a nem-villamos mennyiségek villamos méréstechnikáján alapuló folyamatműszerezés hatásköre. Mi feltételezzük, hogy a számítógép közelébe (a gépterembe) már csak megfelelően átalakított, villamos jelek érkeznek; és nem foglalkozunk a számítógép által kiadott, beavatkozásra szánt villamos jelek további sorsával sem. Tehát magyarán: nem vizsgáljuk, hogyan lesz a kazánban lévő gőz nyomásából villamos feszültség, vagy fordítva, hogyan lesz a D/A átalakító kimeneti feszültségből szelepszár-elmozdulás (?).
Mégis, esetleges korábbi ismeretei között tallózva próbálja megválaszolni az előző mondat kérdését! Ha nem megy, nem baj, majd térjen vissza a lecke végén és próbáljon választ adni a kérdésre.
A folyamatjeleket megjelenési formájuk szerint az analóg és a digitális jelek osztályába soroljuk, így négy nagy csoportjukat különböztetjük meg (1. ábra):
Folyamatjelek
1. ábra
analóg bemeneti jelek, digitális bemeneti jelek, digitális kimeneti jelek analóg kimeneti jelek.
Az alábbiakban e jelek természetével, fajtáival foglalkozunk. Megjegyezzük, hogy az elkövetkezendő, hosszadalmas osztályozás egyáltalán nem öncélú rendcsinálás, rakosgatós játék, ugyanis egy jel hovatartozása alapvetően meghatározza az őt fogadni, vagy kiküldeni képes periféria típusát, valamint a számítógépes feldolgozás módját. Egy konkrét számítógépes folyamatirányító rendszer tervezésének egy korai fázisában el kell készíteni az un. input- és output-listákat, melyekben fel kell sorolni minden egyes kezelendő folyamatjelet, annak fajtáját és a hozzá kapcsolódó feldolgozási igényeket. (Egy-egy ilyen lista több száz, esetleg több ezer tételt is tartalmazhat!) E nélkül még a rendszer konfigurálása sem képzelhető el.
1. Az analóg bemeneti jelek
Jegyezze meg az analóg jelek funkcióját és jellemzőit!
E csoportba a folyamat analóg állapotjelzőiből jelátalakítással előállított egyenáram-, egyenfeszültség-, impedancia-, illetve frekvencia-hordozójú jelek tartoznak. Az 'egyenáram' és az 'egyenfeszültség' kifejezés természetesen nem stabilizált DC-t jelent, hanem lassan változó áramot, illetve feszültséget.
Az egyenáram jelek szokásos, részben szabványos tartományai:
0....5 mA 0...20 mA 4...20 mA
A leggyakrabban alkalmazott un. élőnullás (4...20mA) áramtartomány diagnosztikai eszközt biztosít, ugyanis a 0mA illegális jelérték és előfordulása egyértelműen vezetékszakadásra utal.
Az egyenfeszültség jelek lehetnek:
kis szintűek (1V alatt) nagy szintűek (1V felett)
Sok jelátalakító (pl. a hőelem) eredendően igen kis szintű (ľV, mV nagyságrendű) jelet szolgáltat, amely továbbítás előtt még erősítést igényel.
A feszültség- és az áramjelet szolgáltató jelátalakítók un. aktív átalakítók, amelyek áramköri modellben generátornak tekintendők.
A legtöbb jelátalakító azonban passzív, ami azt jelenti, hogy a mérendő mennyiséget valamilyen impedancia-jellemzőre (ellenállás, kapacitás, induktivitás) képezi le, így az információt az impedancia értéke hordozza. E mennyiségek csak segédenergiával táplált áramkörben mérhetők, így végül is az impedancia-változás feszültségváltozásban jut kifejezésre (pl. mérőhíd kimeneti feszültsége).
Néhány jelátalakító frekvencia jelet szolgáltat (a tipikus jeltartomáy: 10Hz...100kHz). E jeltípus előnyös tulajdonsága, hogy könnyen digitalizálható és kevéssé zavarérzékeny.
Talán szükségtelen, mégis megjegyezzük, hogy az analóg jeleket a számítógépes feldolgozás előtt digitalizálni kell. A digitalizáló eszköz (A/D átalakító) bemenetére általában csak meghatározott tartományba eső feszültség kapcsolható. Ezért az egyenfeszültség jel kivételével az összes előbb említett villamos jelet még egy további átalakítási művelettel feszültséggé kell transzformálni. Ez az átalakítás általában már a számítógép analóg bemeneti perifériáján történik.
2. A digitális bemeneti jelek
Jegyezze meg digitális jelek funkcióját és jellemzőit!
E csoportba a folyamat digitális állapotjelzőiből előállított villamos jelek tartoznak. Ezek több szempont szerint osztályozhatók.
A) Időbeli lefolyás szerint megkülönböztetünk állapotjelet és impulzusjelet. Állapotjelről akkor beszélünk, ha az információt a jel aktuális logikai értéke (0 vagy 1) képviseli (pl. az ajtó most csukva van). Az állapotjel rendszerint tartósan fennáll és ritkán változik. Az impulzusjel esetében az információ a kétállapotú jel állapotváltozásában (felfutó vagy lefutó él), illetve az egymás utáni állapotváltozások számában van (pl. az ajtó most becsukódott). Az állapotjelet a feldolgozáskor elég lekérdezni, az impulzusokat viszont a feldolgozásig tárolni kell, vagyis meg kell őket számolni. Állapotjelként értelmezhető pl. egy végálláskapcsoló jele, impulzusként pl. a nyomógombok, darabszámlálók jelei.
B) Megjelenési forma szerint feszültségszint-, illetve kontaktusjelet különböztetünk meg. A feszültségszint jelnél a két logikai értéket meghatározott feszültségek képviselik, míg a kontaktusjelnél egy érintkező nyitott vagy zárt állapota. A kontaktusjel érdekessége, hogy az tekinthető áramjelnek (nyitott kontaktus - nem folyik áram, zárt kontaktus - folyik áram), vagy akár impedancia-jelnek is (nyitott kontaktus - nagy ellenállás, zárt kontaktus - kis ellenállás).
C) A jel értelmezése szempontjából szokás beszélni független bitekről és összefüggő, kódolt bitcsoportról. A digitális jelek a számítógépbe általában nem külön-külön, hanem csoportokba rendezve érkeznek. E csoportokat úgy alakítják ki, hogy méretük kompatibilis legyen a gép szóhosszúságával. Független bitekről akkor beszélünk, ha a csoport egyes bitjei önálló jelentéssel bírnak. Ha bizonyos bitek csak együtt értelmezhetők, vagyis egyedileg nincs jelentésük, akkor kódolt bitcsoportot alkotnak. Független bitek képviselik pl. nyolc ajtó állapotát egy bájtban, míg kódolt bitcsoport pl. két BCD-számjegy ugyancsak egy bájtban.
D) A jel funkciója szerint megkülönböztetünk ellenőrzött digitális jelet, valamint megszakításjelet. A számítógépbe egy digitális jel kétféleképpen kerülhet be. A legtöbb esetben a gép kezdeményez: a feldolgozási folyamat egy adott fázisában lekérdezi a jelet. Azokat a jeleket nevezzük ellenőrzött jeleknek, amelyek így kerülnek be a számítógépbe. Vannak azonban olyan esetek (tipikusan: vészállapotok), amelyek tudomásulvétele, illetve a rájuk való reagálás nem tűr halasztást. A jel kikényszerítheti a számítógép azonnali figyelmét oly módon, hogy megszakítást (interrupt) okoz. Ilyenkor a futó program felfüggesztődik és a számítógép egy, a megszakítási okhoz rendelt programot hajt végre, így reagálva a rendkívüli eseményre. A megszakítást előidézni képes jelek a megszakításjelek.
3. A digitális kimeneti jelek
Jegyezze meg digitális kimenő jelek funkcióját és jellemzőit!
A digitális kimeneti jelekkel a számítógép olyan beavatkozásokat kezdeményez, amelyeket kétállapotú jelekkel működtethető beavatkozó szervek (pl. léptetőmotor, vezérelhető kapcsoló, stb.) hajtanak végre. A digitális bemeneti jelek kapcsán említett osztályozási szempontok - az utolsó kivételével - értelemszerűen alkalmazhatók a kimeneti jelekre is.
A) Időbeli lefolyás szerint egy digitális kimeneti jel lehet fenntartott jel, vagy impulzus. A fenntartott jel az állapotjel kimeneti megfelelője. Fenntartott jelet igényelnek az olyan beavatkozó szervek, amelyek csak folyamatos jellel működtethetők (pl. mágneskapcsoló stb.). Impulzussal működtethetők azok a digitális beavatkozó szervek, melyek bemenetén számláló van, valamint azok az analóg beavatkozó szervek, melyek integráló bemenettel rendelkeznek.
B) Megjelenési forma szerint itt is beszélhetünk feszültségszint-, illetve kontaktus-jelről; míg értelmezés szerint független bitekről, illetve összefüggő bitcsoportról. E jeltípusok értelmezése és jellemzői azonosak a megfelelő bemeneti jelekéivel.
4. Az analóg kimeneti jelek
Jegyezze meg az analóg kimenő jelek funkcióját és jellemzőit!
Analóg kimeneti jellel a folyamat analóg beavatkozó szervei működtethetők. E jeleket két csoportba sorolhatjuk, vannak az un. valóságos analóg kimeneti jelek és a digitális kimeneti jelből származtatott analóg jelek.
A valóságos analóg jeleket a számítógép analóg output perifériáin lévő D/A átalakítók kimenetén megjelenő feszültségek képviselik. Vagy maguk ezek a feszültségek jutnak el beavatkozó szervekhez, vagy - alkalmas áramtartományba transzformálva - szabványos áramjelek formájában működtetik a beavatkozókat. Tipikus értéktartományaik:
egyenfeszültség: 0....5V, 0...10V; egyenáram: 0....5mA, 0...20mA, 4...20mA.
Analóg beavatkozás azonban kétállapotú jelekkel is megvalósítható, ha a számítógép digitális kimenete és a beavatkozó szerv bemenete között valahol van egy integrátor, vagy maga a beavatkozó szerv integráló jellegű. A digitális kimeneti periférián megjelenő kétállapotú jelből az integráló elem képez analóg jelet (2. ábra). Ilyenkor beszélünk származtatott analóg jelről.
Származtatott analóg jelek
2. ábra
Lépjen ki a tananyagból! Gondolja át a lecke tartalmát, rekonstruálja a szerkezetét! Vegyen elő egy lapot és írja le a lecke vázlatát! Ne sajnálja az erre fordított időt! Ha gondosan megcsinálja, már majdnem tudja is az anyagot.

| Önellenőrző kérdések
1. Mondja el, mit értünk folyamatjel alatt!
2. Sorolja fel az analóg be- és kimeneti jelek fajtáit és saját szavaival mondja el jellemzőiket
3. Sorolja fel a digitális be- és kimeneti jelek osztályozási szempontjait, e szempontok szerinti típusait és saját szavaival mondja el az egyes típusok jellemzőit!
4. Válassza ki a helyes megállapításokat!
| A 0-20 mA-es un. holtnullás áramtartomány előnyösebb a 4-20mA-es élőnullásnál, mert nagyobb terjedelmű.
| Az aktív jelátalakítók használata előnyösebb, mert az általuk szolgáltatott jel mérése nem igényel segédenergiát.
| Kétállapotú jelekből integráló elemmel képezhető folytonos analóg jel.
| Impedancia-jelet csak ohmos ellenállás (rezisztív elem) szolgáltathat.
| Az analóg kimeneti jel impedancia is lehet.
5. Válassza ki a helyes megállapításokat!
| Az állapotjel és az impulzus feldolgozás szempontjából nem különbözik egymástól lényegesen.
| A kontktusjelet áram- vagy impedancia-jelnek is tekinthetjük.
| A kódolt bitcsoport egyes bitjei mindig önálló jelentéssel is bíró független biteknek tekinthetők.
| Az állapotjel előnyösebb, mint az impulzus, mert tovább tart és több idő jut a lekérdezésére és a feldolgozására.
| A számítógépbe való bekerülés módja a hordozott információt nem befolyásolja, ezért az ellenőrzött jel és a megszakításjel között nincs értelme különbséget tenni.
| Impulzus kimenőjellel csak számláló-bemenetű digitális, vagy integrátor-bemenetű analóg beavatkozó szervek működtethetők.
6. Sorolja be egy szintmérő úszójára szerelt végálláskapcsoló jelét az alábbi ismérvek közül a megfelelők kiválasztásával!
| analóg
| digitális
| bemeneti
| kimeneti
| feszültségszint
| kontaktus
| állapotjel
| impulzus
| független bit
| bitcsoport
7. Gondolja meg, hogy az 6. feladat felsorolásában miért nem szerepel az ellenőrzött jel, illetve a megszakításjel fogalompár!