Område 3 · lektion 15

I industrin och i vardagen

De fyra föregående passen har byggt ett verktyg: logik, tid och tillstånd. Det här passet handlar om vad verktyget används till utanför skolsalen, och det är nästan alltid samma sak – att göra ett farligt eller olämpligt läge omöjligt. Sist i guiden kravställer du bygge 2.

Mål

Du kan förklara vad en förregling är, och varför den byggs så att ett fel leder till stopp och inte till start.
Du kan beskriva tvåhandsgreppet på en industripress: de tre kraven, varför släppkravet är det viktigaste, och vad greppet inte skyddar mot.
Du kan beskriva mikrovågsugnens luckspärr och säga varför den är mekanisk och dubblerad i stället för en kontroll i mjukvaran.
Du kan peka ut var i ett mekatroniskt system energi, materia och information omvandlas.
Du kan skriva ett krav som går att pröva, och kravställa ditt eget bygge 2.

Genomgång

Förregling: att göra ett läge omöjligt

En förregling binder ihop två saker så att den ena inte kan ske medan den andra gäller. Luckan är öppen, alltså går inte motorn. Verktyget är uppe, alltså får skyddet lyftas. Formuleringen låter som ett villkor i kod, och den avgörande skillnaden är att en riktig förregling är byggd så att den håller även när något går sönder.

Ordningen mellan åtgärder är bestämd och den är alltid densamma:

Konstruera bort faran. Går rörelsen att göra långsammare, svagare eller onåbar är det alltid bättre än ett skydd.
Skydd och förregling. Det som inte går att konstruera bort byggs in bakom något som stoppar maskinen när skyddet öppnas.
Information och instruktion. Skyltar, varningar och utbildning. Sist, eftersom de kräver att en människa gör rätt varje gång.

Att lita på steg tre för något som borde lösts i steg ett är det vanligaste konstruktionsfelet i hela mekatroniken, och det ser i efterhand alltid ut som slarv av den som skadade sig.

Felsäkert: vilken väg felet ska falla

Du mötte principen redan i guiden om digital ingång: en nödstoppsknapp kopplas brytande, så att en avsliten sladd ger samma signal som ett nödstopp. Det är samma tanke som styr hela det här passet. En förregling ska konstrueras så att varje rimligt fel – en trasig kontakt, en glappande sladd, en död styrenhet – leder till att maskinen stannar.

En kontroll i mjukvara har svårt att uppfylla det. Programmet kan hänga sig i ett läge där utgången redan står på. En ingång som tappat sin sladd flyter och kan läsas som vad som helst. En variabel kan hålla ett värde som ingen gren av koden räknade med. Därför sitter de förreglingar som verkligen måste hålla i mekanik och i kretsen, inte i en if-sats.

Tvåhandsgreppet, punkt för punkt

En excenterpress eller en kantpress är farlig av ett enkelt skäl: den del av maskinen som formar plåten kan lika gärna forma en hand. Tvåhandsgreppet löser det genom att kräva att operatörens båda händer är upptagna någon annanstans medan rörelsen pågår. Tre krav gör det till en spärr i stället för till två knappar.

Knapparna sitter så långt isär att en hand inte når båda. Det är ett geometriskt krav, inte ett elektriskt, och det kontrolleras med måttband. Utformningen ska dessutom hindra att de trycks med underarmen eller med en armbåge.
Båda ska tryckas nära varandra i tiden, i praktiken inom omkring en halv sekund. Utan det kravet räcker det att tejpa fast den ena knappen på morgonen och sedan använda maskinen med en hand resten av dagen.
Båda ska släppas innan nästa cykel kan startas. Det här är det krav som gör konstruktionen till en tillståndsmaskin, och det är det som oftast saknas i en hemmabyggd variant.

A och B är de två knapparna. Hög nivå betyder uppsläppt, låg betyder nedtryckt – samma inversion som en knapp med intern pull-up ger i ditt eget bygge.
Klammern mäter tiden mellan de två nedtryckningarna. Ryms den inom fönstret startar maskinen. Är den längre händer ingenting, och operatören måste släppa båda och börja om.
Vad som händer efter de streckade linjerna syns inte i figuren och är minst lika viktigt: släpps någon av knapparna under rörelsen ska maskinen stanna.

Släppkravet är det som gör greppet till en tillståndsmaskin med minst fyra lägen: låst tills båda knapparna släppts, redo när de är uppe, väntar när den första gått ned och klockan går, och kör när båda hunnit ned i tid. Utan det låsta läget kan maskinen startas om av en enda knapp som fortfarande hålls nere, vilket är precis vad greppet skulle förhindra.

Vad tvåhandsgreppet inte skyddar Det skyddar operatörens händer, och ingenting annat. En kollega som sträcker sig in i maskinen medan operatören håller båda knapparna nedtryckta är helt oskyddad. Därför står tvåhandsgreppet aldrig ensamt i en riktig maskin – det kombineras med ljusridå, staket eller inbyggnad, som skyddar alla som är i närheten. Det här är den begränsning som är värd att kunna beskriva: en spärr skyddar bara mot det fall den konstruerades för.

Så långt bort att handen inte hinner fram

Avståndet mellan knapparna och det farliga stället är inte gissat. Det räknas ut ur två storheter: hur fort maskinen stannar, och hur fort en hand rör sig. Standarderna för säkerhetsavstånd räknar med en handhastighet på 1 600 mm/s. Tar maskinen 0,25 s på sig att stanna hinner handen

s = v · t = 1 600 mm/s · 0,25 s = 400 mm

Fyra decimeter är alltså det absoluta minimum bara för stopptiden, och standarden lägger till en fast marginal utöver det för att handen hinner röra sig en bit redan innan knappen är släppt. Räkningen är värd att göra en gång för hand, eftersom den visar vad ett säkerhetsavstånd faktiskt är: en hastighet gånger en tid, precis som i mekaniken du läst tidigare. Halveras maskinens stopptid halveras avståndet.

Var energi, materia och information omvandlas

Ämnesplanen talar om tekniska lösningar för omvandling av energi, materia eller information. Alla tre finns i en press, och de går att peka ut var för sig:

Omvandling	I pressen	I ditt bygge 2
Information	två knappar och en klocka blir ett startbesked	två insignaler och en regel blir ett beslut
Energi	el blir hydraultryck blir rörelse	el blir servots vridmoment
Materia	en plan plåt blir en bockad detalj	en lucka flyttas från stängt till öppet läge

Den första raden är den som hela det här området handlar om, och den är den enda av de tre som inte syns. Ingen energi och ingen materia lämnar en logisk grindfunktion – det som omvandlas är enbart vad systemet vet. Det är också därför den är så lätt att göra fel på: ett mekaniskt fel hörs, ett elektriskt fel luktar, ett logikfel gör ingenting alls förrän en dag då det gör allt.

I industrin och i vardagen

I industrin: en excenterpress i en plåtverkstad har tvåhandsdon på ett pulpet framför maskinen, ofta i en nedsänkt ram så att knapparna inte går att trycka med något annat än fingertoppar. Styrningen sitter i ett säkerhetsrelä eller en säkerhets-PLC – inte i maskinens vanliga styrenhet – och den kretsen är dubblerad: två oberoende kanaler läser varje knapp, och skiljer de sig åt går maskinen till stopp i stället för att gissa. Ett fel i den ena kanalen kan alltså inte starta pressen, bara stoppa den.

Cykeln ser ut ungefär så här. Operatören lägger i en plåt med båda händerna fria. Sedan flyttas händerna till knapparna och trycker båda inom fönstret. Slaget går, och släpper operatören en knapp under slaget stannar pressen. När slaget är klart är maskinen låst tills båda knapparna släppts – först då får en ny cykel startas. Det låsta läget är inte en bekvämlighet utan det som gör tejp meningslös, och det är anledningen till att den här funktionen inte går att bygga med en ren sanningstabell. Den kräver ett minne.

Lägg märke till vad som inte ligger i mjukvaran. Slagets stopptid, knapparnas avstånd och ramarna runt knapparna är mekanik. Kanaldubbleringen är krets. Programmet sköter takt och räkning, men det är inte programmet som avgör om det är säkert att gå.

I vardagen: mikrovågsugnen i köket löser samma sorts problem med samma sorts svar, och den gör det utan att en enda rad kod är inblandad. Ugnens magnetron arbetar på 2,45 GHz. Våglängden blir

λ = c / f = 299 792 458 m/s / 2 450 000 000 Hz = 0,122 m = 12,2 cm

Det förklarar det första skyddet, som är ren fysik: metallnätet i luckan har hål på någon eller några millimeter, alltså i storleksordningen hundra gånger mindre än våglängden. Strålningen kommer inte igenom ett så finmaskigt galler, medan synligt ljus – med en våglängd runt en halv mikrometer, alltså ett par hundra tusen gånger kortare – passerar obehindrat. Du ser in, mikrovågorna kommer inte ut.

Det andra skyddet är luckans förregling, och den är mekanisk och dubblerad:

S1 och S2 är två oberoende luckbrytare i serie. Båda ska vara slutna för att magnetronen M1 ska få ström – en AND-grind byggd av två mekaniska kontakter. Att de är två är hela poängen: en enskild brytare som fastnar sluten får inte räcka.
S3 är monitorbrytaren, och den arbetar tvärtom. Den sluter när luckan öppnas. Fungerar allt som det ska har S1 och S2 redan brutit då, och ingenting händer.
Om S1 och S2 fastnar slutna ligger plötsligt både magnetronens väg och S3:s väg öppna samtidigt. S3 kortsluter då matningen, säkringen F1 går, och ugnen är obrukbar. Konstruktionen offrar alltså ugnen hellre än att låta den gå med öppen lucka.
Ingen styrenhet finns i den här kedjan. Ugnens processor sköter display, tid och effekt och kan gott visa "lucka öppen" – men den kan varken hindra kedjan från att bryta eller släppa fram ström förbi den.

Öppna inte en mikrovågsugn Högspänningskondensatorn inuti en mikrovågsugn kan hålla laddning kvar länge efter att sladden dragits ur, och spänningarna där är i storleksordningen tusentals volt. Det här avsnittet är till för att förstås och beskrivas, inte för att undersökas med skruvmejsel. Undersök gärna luckan och hur den känns när den stänger – resten stannar i beskrivningen.

Ställ de två exemplen mot varandra, för det är den jämförelsen som ger belägg för F4. Pressen skyddar mot en rörelse och gör det med logik, tid och tillstånd i en dubblerad krets, där en människas händer är en del av konstruktionen. Ugnen skyddar mot strålning och gör det med två mekaniska brytare, en offerkoppling och ett metallgaller – helt utan minne och helt utan tidsberoende. Samma mål, motsatta lösningar, och skillnaden kommer av vad faran är: pressens fara finns bara när något rör sig, ugnens finns i varje ögonblick luckan är öppen och magnetronen går.

Kravställ ditt bygge 2

Att kravställa är att skriva ner vad systemet ska göra, i meningar som går att pröva, innan du bygger. Det är första delen av F1 – "planerar och bygger" – och det är den delen som brukar hoppas över.

Ett krav går att pröva när två personer som läser det kan komma överens om huruvida bygget klarar det eller inte, utan att fråga dig:

Går inte att pröva	Går att pröva
Luckan ska öppnas snabbt.	Luckan ska ha nått öppet läge inom 1 s från att båda knapparna tryckts.
Det ska vara säkert.	Om bara en knapp hålls nedtryckt ska luckan förbli stängd, hur länge knappen än hålls.
Systemet ska komma ihåg vad som hänt.	Efter en cykel ska en ny cykel inte kunna startas förrän båda knapparna varit uppsläppta samtidigt.
Koden ska vara snygg.	`loop()` ska inte innehålla något anrop till `delay()`.

Regeln du ska välja

Bygge 2 kräver två insignaler och en logisk regel som avgör när luckan får öppnas. Regeln väljer du och din byggpartner. Tre förslag, i stigande svårighet – ett eget förslag är lika välkommet, men ska stämmas av vid samrådet:

Tvåhandsgrepp. Båda knapparna inom ett tidsfönster du bestämmer, och båda måste släppas innan nästa gång. Den regel som ligger närmast passets industriexempel, och den som ger mest att beskriva.
Förregling. En knapp är kommandot, den andra är en lägesgivare som säger att något är på plats – en mikrobrytare som känner att luckan är fri, eller att en detalj ligger rätt. Luckan öppnas bara när kommandot kommer och lägesgivaren säger ja.
Val med XOR. Två väljare där precis en åt gången får vara aktiv. Två samtidigt är ett felläge som ska visas och inte tolkas – vilket i sig är ett bra krav att skriva.

Sju frågor att svara på innan du bygger

Vilka är de två insignalerna, fysiskt? Två knappar, en knapp och en mikrobrytare, något annat?
Vad är regeln, skriven som en sanningstabell med alla 2² = 4 rader ifyllda?
Vilka tillstånd har systemet, och vilket gäller när kortet just startat? Det läget måste vara ofarligt.
Vilka övergångar utlöses av tid, och hur lång är den tiden?
Vad ska luckan göra, mekaniskt? Vad väger den, och orkar servot där armen sitter?
Vad ska hända i de fall som inte ska öppna luckan? Att ingenting händer är ett giltigt svar – men det ska vara valt.
Vilket industriexempel och vilket vardagsexempel ska du beskriva ditt system mot? Det är ett krav i dokumentationen och inte en extrauppgift, så välj dem nu medan du minns det här passet.

Svaren skriver du i samrådsunderlaget inför nästa pass. Kravlistan i sin helhet står på bygge 2:s sida.

Prova själv

Gå runt hemma och leta upp tre förreglingar. Kylskåpets lampa, tvättmaskinens luckelås, häcksaxens tvågreppsspärr, bilens startspärr – det finns fler än du tror. Skriv en mening per fynd om vad som är förreglat mot vad.
Välj en av dem och avgör om spärren är mekanisk, elektrisk eller programmerad. Motivera med vad som skulle hända om just den delen gick sönder.
Bygg tvåhandsgreppets tidsfönster med två knappar och seriemonitorn. Skriv ut tiden i millisekunder mellan den första och den andra nedtryckningen, med tidsstämpelmönstret från förra guiden.
Mät ditt eget fönster: tryck tio gånger så snabbt du kan med båda händerna och notera den största tiden. Ligger den under 500 ms med marginal, eller behöver ditt bygge ett större fönster?
Lägg till det låsta läget: efter en lyckad cykel ska ingenting hända förrän båda knapparna varit uppe. Prova sedan att tejpa fast en knapp – bygget ska nu vara omöjligt att utlösa med en hand.
Räkna om säkerhetsavståndet för en maskin som stannar på 0,1 s i stället för 0,25 s, med samma handhastighet 1 600 mm/s. Vad blir det, och vad säger svaret om varför snabbare bromsar är värda pengar?

Kontrollfrågor

Varför räcker det inte att kräva att båda knapparna hålls nere?

Därför att en knapp går att tejpa, kila eller lägga en tung sak på. Kravet att båda ska tryckas nära varandra i tiden gör tejpen verkningslös, och kravet att båda ska släppas innan nästa cykel gör att maskinen inte kan gå ett andra slag med en hand kvar på en fastlåst knapp. Utan de två tilläggen är tvåhandsdonet bara två knappar.

Vad är monitorbrytarens uppgift i en mikrovågsugn?

Den övervakar de två andra brytarna. Den sluter när luckan öppnas, och skulle luckbrytarna då ha fastnat slutna kortsluter den matningen så att säkringen går. Ugnen blir obrukbar, vilket är avsikten: konstruktionen väljer ett trasigt vitvara framför en ugn som strålar med öppen lucka.

En elev föreslår att mikrovågsugnens lucka i stället kontrolleras av ugnens processor, som ju ändå läser knapparna. Vad är invändningen?

Att en processor kan hänga sig, att en ingång kan flyta och att en variabel kan hålla fel värde – och i alla tre fallen kan magnetronen bli kvar påslagen. Den mekaniska kedjan bryter strömmen fysiskt, och gör det även om varje rad kod är fel. Mjukvaran får gärna göra samma kontroll också, men den får inte vara den enda.

Hur långt hinner en hand medan en maskin bromsar i 0,1 s, räknat med standardens handhastighet?

s = v · t = 1 600 mm/s · 0,1 s = 160 mm. Jämfört med 400 mm vid 0,25 s är det mindre än hälften, vilket är hela skälet till att man betalar för snabbare bromsar: säkerhetsavståndet krymper i samma takt, och maskinen kan byggas mindre och användas bekvämare.

Vilken av CI:ns tre omvandlingar sker i en logisk grind, och hur vet du det?

Information. Ingen materia flyttas och ingen nämnvärd energi lämnar grinden – ut kommer en signal vars enda innehåll är ett svar på en fråga. Energiomvandlingen i ditt bygge sker i servot, materiaomvandlingen i luckan som flyttas.

Vad skyddar tvåhandsgreppet inte mot?

Alla andra än operatören. En kollega som sträcker sig in i maskinen är helt oskyddad, eftersom greppet bara vet var operatörens händer är. Därför kombineras det alltid med ljusridå, staket eller inbyggnad. Att kunna säga vad en spärr inte täcker är en del av att beskriva ett system utförligt.

Skriv om kravet "luckan ska stänga sig av sig själv" så att det går att pröva.

Till exempel: "Luckan ska börja stänga 3,0 s efter att den nått öppet läge, utan att någon knapp berörs, och ska ha nått stängt läge inom ytterligare 1,0 s." Nu finns en tid, en startpunkt och ett mätbart slutläge, och två personer kan enas om huruvida bygget klarar det.

Vanliga fel

Kraven skrivs efter bygget. Då beskriver de vad bygget råkade göra, och kravställningen har inte hjälpt någon. Skriv dem före samrådet, ändra dem gärna efteråt, och spara båda versionerna.
Ett krav utan tal. "Snabbt", "säkert" och "stabilt" går inte att pröva. Sätt en siffra och en enhet, även när siffran är en gissning – en gissning går att rätta, en känsla gör det inte.
Tvåhandsgreppet byggs utan det låsta läget. Det ser ut att fungera vid provkörning och faller så fort någon håller kvar en knapp. Prova alltid med en knapp fasttejpad.
Tidsfönstret sätts för snävt. 100 ms låter proffsigt och gör bygget omöjligt att använda. Mät hur snabb du faktiskt är innan du väljer talet.
Industriexemplet och vardagsexemplet är samma sak två gånger. "Tvåhandsgrepp på en press" och "tvåhandsgrepp på en häcksax" är en idé i två kläder. Välj exempel som skiljer sig i vad faran är och i hur spärren är byggd.
Bygget beskrivs som en säkerhetsanordning. Ditt bygge är en modell av en säkerhetsfunktion. Regeln ligger i mjukvara, kretsen är inte dubblerad, och ingenting är provat mot en standard. Att skriva ut den skillnaden är ett starkare belägg för F4 än att låta bli.
Beskrivningen sparas till sist. F4 bedöms på det du skriver, inte på det du förstod. Välj dina två exempel nu, medan passet är färskt.

Vidare

Språkreferensen har inget eget kapitel för det här passet – innehållet är styrteknik och inte språk. De kapitel du behöver under bygget är Villkor och Tid och millis().

Nästa steg är bygge 2, som löper över områdets två sista pass. Ta med samrådsunderlaget ifyllt och sanningstabellen ritad till det första av dem – då räcker de sextio minuterna till felsökning i stället för till planering.