Αυτοματισμοί και έλεγχος με υπολογιστή

Ο κλασικός τρόπος ελέγχου συσκευών όπως π.χ. ηλεκτροκινητήρων με υπολογιστή γίνεται σύμφωνα και με το παράπλευρο σχήμα ως εξής: Οι επιθυμητές είσοδοι διαβάζονται ως φυσικό μέγεθος από διάφορα αισθητήρια όπως π.χ. θερμοκρασίας, ταχύτητας, θέσης, φωτεινότητας, απόστασης κ.τ.λ. Τα αισθητήρια μετατρέπουν αυτό το φυσικό μέγεθος σε ηλεκτρικό σήμα. Ορισμένα αισθητήρια παρέχουν αμέσως ψηφιακό σήμα, οπότε εισάγονται απ'ευθείας στον υπολογιστή χωρίς μετατροπή.
Το ηλεκτρικό αυτό σήμα εισάγεται σε έναν υπολογιστή τύπου Arduino προς επεξεργασία για την επίτευξη ελέγχου. Κάτω από τον έλεγχο ενός κατάλληλου προγράμματος, η αναγνωσθείσα τιμή συγκρίνεται στον υπολογιστή με μια επιθυμητή τιμή, λαμβάνεται η κατάλληλη απόφαση σύμφωνα με τις απαιτήσεις της εφαρμογής και στο τέλος δημιουργούνται σήματα ελέγχου διάφορων συσκευών, όπως π.χ. ηλεκτροκινητήρων με στόχο την κίνηση μέχρι την επίτευξη της επιθυμητής τιμής.
Στην περίπτωση αυτή κάτω από τον έλεγχο του προγράμματος η έξοδος συγκρίνεται με την είσοδο και δημιουργείται η διαφορά τους με στόχο μετά από επεξεργασία αυτή να μηδενιστεί. Έχουμε δηλαδή αυτοματισμό ή ένα σύστημα αυτομάτου ελέγχου.
Σε τέτοιες απλές εφαρμογές ελέγχου μπορεί να χρησιμοποιείται ένας χαμηλού κόστους της τάξεως των 10-15€ Arduino. Σε περίπτωση αυτοματισμού ή ελέγχου υψηλότερων απαιτήσεων (κυρίως ως προς την ταχύτητα) μπορεί να χρησιμοποιηθεί ακριβότερη άλλη λύση με ισχυρότερο μικροεπεξεργαστή. Σε ένα σύγχρονο σύστημα με τεράστιες απαιτήσεις ταχύτητας χρησιμοποιούνται άλλοι ταχύτατοι μικροεπεξεργαστές ή μικροελεγκτές 32 ή 64 bit .
Τι είναι το Arduino; Είναι μια φθηνή έκδοση υπολογιστής-πλακέτα χωρίς οθόνη και πληκτρολόγιο, που χρησιμοποιείται σε απλές εφαρμογές αυτοματισμών και ελέγχου. Διαθέτει εισόδους ψηφιακών σημάτων (δηλ. διακοπτών) καθώς αναλογικών σημάτων που ονομάζονται και πόρτες εισαγωγής δεδομένων. Γενικότερα ένα Arduino διαθέτει ειδικές διευκολύνσεις για εφαρμογές αυτοματισμού και ελέγχου συσκευών όπως π.χ. διακοπτών ή ηλεκτροκινητήρων για παραγωγή κίνησης. Με άλλα λόγια είναι ιδανική λύση με πολλές δυνατότητες και χαμηλό κόστος για τη δημιουργία αυτοματισμού και απλών εφαρμογών ελέγχου. Οι συχνότερα χρησιμοποιούμενες πλακέτες είναι οι Arduino Uno, Arduino Nano, Arduino Pro Mini, Arduino Mega.

Απλά παραδείγματα και προτάσεις εφαρμογών ελέγχου με Arduino

Παράδειγμα κατασκευής αισθητήριου ταχύτητας ανέμου (ανεμόμετρου) χρησιμοποιώντας ως υπολογιστή ένα Arduino. Ως αισθητήριο ταχύτητας μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα Ανεμόμετρο εμπορίου, ή ένα μικρό ανεμιστηράκι υπολογιστή, στο οποίο έχει προσαρμοστεί αντί για τύλιγμα ένας αισθητήρας Hall. Τα άκρα του Hall συνδέονται σε υπολογιστή Arduino. Η απλή αυτή είναι διάταξη είναι πολύ φθηνή και ιδιαίτερα ευαίσθητη σε χαμηλές ταχύτητες ανέμου. H ταχύτητα του ανέμου μπορεί να δείχνεται στην οθόνη ενός υπολογιστή Laptop, ή σε μικρή οθόνη LCD. Επειδή στη διάταξη αυτή χρησιμοποιείται ένα Arduino είναι δυνατή η δημιουργία οποιουδήποτε αυτοματισμού σε σχέση με την ταχύτητα του ανέμου, όπως δείχνεται στο επόμενο παράδειγμα.
Παράδειγμα οδήγησης ηλεκτρικών κινητήρων χρησιμοποιώντας ως υπολογιστή ένα Arduino.
Αν θέλουμε να κινήσουμε έναν κινητήρα δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα τον συνδέουμε στη μπαταρία και αυτός περιστρέφεται
Αν όμως θέλουμε να περιστρέφεται ο κινητήρας και δεξιά και αριστερά, τότε απαιτείται η χρησιμοποίηση 4 διακοπτών S1, S2, S3, S4 (παράπλευρο Σχήμα) Προκειμένου να οδηγήσουμε dc κινητήρες και δεξιά και αριστερά, απαιτείται ένα ειδικό κύκλωμα που ονομάζεται γέφυρα Η. H-bridge
Οι διακόπτες της γέφυρας Η μπορούν να υλοποιηθούν με έναν υπολογιστή τύπου π.χ. Arduino.
Λέγοντας κύκλωμα ή πλακέτα οδήγησης κινητήρα εννοούμε ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα που δέχεται σήματα από τον υπολογιστή και τα μετατρέπει στην κατάλληλη τάση και ρεύμα για την οδήγηση των κινητήρων. Συνήθως οι χρησιμοποιούμενοι κινητήρες είναι DC συνεχούς τάσης 12V ή 24 ή 36V επειδή η κίνησή τους ελέγχεται (δηλαδή οδηγούνται) πολύ πιο εύκολα από τους άλλους.
Τα πιο συνηθισμένα και γνωστά κυκλώματα οδήγησης κινητήρων είναι αυτά που φαίνονται στις παράπλευρες εικόνες για ρεύμα έως 2A
Παράδειγμα αυτοματισμού τέντας με έλεγχο ηλεκτροκινητήρα από Arduino
Ζητούμενο είναι η κατασκευή συστήματος χαμηλού κόστους ηλιοπροστασίας, το οποίο ανάλογα με την ηλιοφάνεια θα ελέγχει τον ηλεκτρικό κινητήρα τέντας. Όταν όμως φυσάει πολύ δυνατός άνεμος η τέντα θα ανεβαίνει για να μην καταστραφεί.
Το ίδιο σύστημα αυτομάτου ελέγχου ηλεκτρικού κινητήρα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο του ηλεκτροκινητήρα των παραθύρων θερμοκηπίων, αν αντικατασταθεί το αισθητήριο ηλιακής ακτινοβολίας με αισθητήριο θερμοκρασίας.
Με ελάχιστη οικονομική επιβάρυνση, το ίδιο ακριβώς σύστημα ελέγχου ηλεκτρικού κινητήρα μπορεί με μικρομετατροπές να χρησιμοποιηθεί σε φωτοβολταϊκά για την παρακολούθηση της ηλιακής ακτινοβολίας. Στην περίπτωση αυτή για την παρακολούθηση του ήλιου απαιτούνται δύο αισθητήρια ηλιακής ακτινοβολίας, δύο ηλεκτρικοί κινητήρες και τροποποίηση του προγράμματος του υπολογιστή Arduino που χρησιμοποιείται για την επεξεργασία και έλεγχο. Ακριβώς το ίδιο σύστημα αυτοματισμού και ελέγχου μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για την παρακολούθηση της ηλιακής ακτινοβολίας από ηλιακό θερμοσίφωνα.
Ενδεικτική κοστολόγηση: Για τον έλεγχο απαιτούνται τα παρακάτω εικονιζόμενα: 1. Αισθητήριο ταχύτητας ανέμου 10€. 2. Αισθητήριο ηλιακής ακτινοβολίας 5€. 3. Ψηφιακό κύκλωμα υπολογιστής ελέγχου π.χ. τύπου Arduino 15€. 4. Ηλεκτροκινητήρας 40€-80€ ανάλογα με το βάρος-μέγεθος της τέντας. 5. Προγραμματισμός του υπολογιστή 15€**. Συνολικό μέσο κόστος κατασκευής ελέγχου ηλεκτρικής τέντας ή ηλεκτρικού παραθύρου περί τα 100€***.

***Οι τιμές των εξαρτημάτων είναι ενδεικτικές της Ελληνικής αγοράς.

Αυτοματισμοί και έλεγχος ηλεκτροκινητήρα με υπολογιστή