Wykład nr 8 Sterowniki PLC Piotr Bilski Systemy wbudowane Wykład nr 8 Sterowniki PLC Piotr Bilski

Czym jest programowalny sterownik logiczny (PLC)? Jest to komputer przemysłowy pracujący pod kontrolą systemu czasu rzeczywistego w celu: Zbierania danych pomiarowych przy pomocy czujników i urządzeń pomiarowych Wykonywania programów użytkownika Generowania sygnałów sterujących przez moduły wyjściowe Transmitowania danych poprzez łącza komunikacyjne Realizowania funkcji diagnostyki programowej i sprzętowej

Definicja PLC Jest to cyfrowy system elektroniczny stosowany w środowisku przemysłowym, który posługuje się pamięcią programowalną do przechowywania zorientowanych na użytkownika instrukcji w celu sterowania przez cyfrowe lub analogowe wejścia i wyjścia szeroką gamą maszyn i/lub procesów (IEC 61131-1)

Systemy SCADA Systemy współpracujące ze sterownikami w warstwie sterowania nadrzędnego Pełnią rolę interfejsu operatora (MMI), realizują wizualizację danych pomiarowych, tworzenie raportów, diagnostykę zasobów, redundancję itp. Komunikacja ze sprzętem PLC przy pomocy sieci komputerowej, modyfikacja oprogramowania sterowników

Cechy charakterystyczne PLC Praca pod kontrolą systemu czasu rzeczywistego Programowanie w językach sterowania logicznego Zwiększona niezawodność pracy w warunkach przemysłowych realizowana m.in. poprzez nadmiarowość Brak pamięci dyskowej i typowego interfejsu użytkownika

Nadmiarowość Sprzętowa Programowa Zwielokrotnienie elementów systemu, np. czujniki, interfejsy sieciowe, mikroprocesory Przykład: Emergency Shutdown Systems Programowa Wprowadzenie metod wykonywania alternatywnych fragmentów programu

Inteligentne sterowniki PLC Dedykowane układy sterujące wyposażone w mikroprocesor Wykonują złożone operacje pomiarowo-sterujące Inteligentne przekaźniki (smart relay) – małe sterowniki z panelem operatora Dalszy rozwój związany jest z integracją sprzętu i rozwoju technik komunikacyjnych

Prosty schemat PLC

Schemat rozszerzony PLC Łącze konsoli Zegar CPU Łącze szeregowe Sprzęg cyfra-analog CPU Wejście AC Licznik impulsów CPU Sprzęg analog-cyfra Wyjścia przekaźnikowe CPU Wejście DC

Cykl programowy sterownika PLC Aktualizacja stanu wejść (przepisanie wartości wejść z modułów wejściowych do odpowiadających im obszarom sterownika) Wykonanie programu użytkownika Aktualizacja wyjść Problem opóźnień!!

Parametry sterowników PLC Firma Typ I/O Czas wykonania 1000 rozkazów Pojemność RAM Allen-Bradley SLC 500 20-960 0.5-0.8 ms 1-24 Kb Fanuc Automation Serie 90-30 1000 0.18 ms 80Kb Serie 90-70 12000 0.4 ms 512 Kb PEP Modular Computers Smart I/O 8-88 b.d. 3 Mb Siemens Simatic S5-115u do 2000 0.1 ms 384 Kb

Programowanie sterowników PLC Metodyka określona przez normę IEC 61131-1 Pięć podstawowych metod konstrukcji programu: Sekwencyjne schematy funkcyjne Bloki funkcyjne Schematy drabinkowe Lista instrukcji Tekst strukturalny

Składowe normy IEC 61131 Postanowienia ogólne Wymagania dotyczące sprzętu Języki programowania Wytyczne dla użytkownika Wymiana informacji Metodyka programowania z wykorzystaniem zbiorów rozmytych Metodyka implementacji języków programowania

Schemat projektowania programu sterownika PLC Sterownik PLC Komputer PC Oprogramowanie projektowe Uruchomiony program

Charakterystyka funkcjonalna sterownika PLC Sterownik realizuje następujące funkcje Przetwarzania sygnałów Interfejsu z czujnikami i elementami wykonawczymi Interfejsu człowiek-maszyna Komunikacji Zasilania

Parametry czasowe sterownika TRT = TID + TIT + rTSC + TUT + TQT + TQD TRT – czas opóźnienia sterownika TIT – czas przesyłania wejścia cyfrowego TID – czas opóźnienia wejścia cyfrowego TSC – czas próbkowania TUT – czas wykonania programu użytkownika TQT – czas przesyłania wyjścia cyfrowego TQD – czas opóźnienia wyjścia cyfrowego

Architektury sterowników Sterowniki kompaktowe Niewielkie rozmiary, sztywna architektura Przeznaczone do sterowania pojedynczymi urządzeniami Sterowniki modułowe Poszczególne układy są osobnymi modułami Połączenie fizyczne między modułami realizowane poprzez szyny montażowe lub kasety (rack, chassis) Sterowniki są elastyczne

Sterowniki modułowe Przykład: PLC-5 Do 4096 wejść/wyjść Obudowa typu VME (Vesa Module Europe)

Moduły sterowników Moduły podstawowe Moduły dodatkowe Jednostka centralna Moduł zasilający Moduły wejść/wyjść cyfrowych Moduły wejść/wyjść analogowych Moduły dodatkowe Moduły szybkich liczników Moduły pozycjonowania osi Moduły wejściowe dla czujników temperatury Moduły regulatora PID (rozmyte) Moduły akwizycji kodu paskowego Moduły komunikacyjne

Pamięć sterownika PLC Podział pamięci na stałą i ulotną (PROM, RAM) Przechowuje oprogramowanie firmowe (firmware) oraz oprogramowanie użytkowanie Zawartość pamięci ulotnej jest podtrzymywana bateryjnie (zmienne podtrzymywane) Pamięć danych użytkownika przechowuje: Dane wejściowe (%I) Dane wyjściowe (%Q) Dane pośrednie (%M)

Parametry jednostki centralnej czas cyklu programowego (wykonania funkcji bitowych lub bitowych i arytmetycznych w proporcji) Sposób zasilania Wielkość pamięci Możliwość wykonywania operacji zmiennoprzecinkowych Standardy komunikacji Liczba wejść i wyjść cyfrowych

Założenia pracy CPU Ograniczenia czasu rzeczywistego (zależne od badanego obiektu) Program użytkownika działa w bezwarunkowej pętli WHILE Możliwe ustalenie czasu trwania cyklu programowego

Cykl programowy PLC - szczegóły Porządkowanie cyklu Czytanie stanu wejść Wykonanie programu użytkownika Aktualizacja stanów wyjść Obsługa urządzeń zewnętrznych Wykonanie funkcji diagnostycznych

Tryby pracy sterownika Zmiana trybu poprzez polecenie wysłane z urządzenia programującego PADT, poprzez przełącznik lub wejście cyfrowe Tryb RUN Właściwy tryb pracy (wszystkie fazy wykonywane) Tryb STOP (PROGRAM) Tryb zatrzymania, służy do konfiguracji i programowania sterownika Tryb LAST Tryb przywrócenia stanu sterownika, w jakim był w momencie wyłączenia zasilania Tryb SWEEP

Moduły wejść cyfrowych Moduły wejść dwustanowych lub trójstanowych Zasilane prądem stałym 24V lub przemiennym 120/240V Zawierają przetwornik optyczny zamieniający sygnały prądu stałego lub przemiennego na postać binarną Zmienne sygnałowe oznaczane są jako %I lub %IX, użytkownik decyduje o ich rozmieszczeniu w pamięci

Problemy obsługi wejść cyfrowych Polaryzacja dodatnia lub ujemna Filtracja w celu eliminacji składowej zmiennej Wejścia łączone w grupy 8, 16 lub 32 wejść Zapewnienie odpowiednich warunków pracy: temperatura, wilgotność, drgania, pobór prądu

Moduły wyjść cyfrowych Zamieniają binarne sygnały sterujące na sygnały prądu stałego lub przemiennego Wykorzystują styki przekaźników lub łączniki tranzystorowe/tyrystorowe Zmienne stowarzyszone oznaczane są przez %Q lub %QX

Problemy obsługi wyjść cyfrowych Polaryzacja dodatnia lub ujemna Zasilanie prądem stałym lub przemiennym Obwody wyjściowe tworzą grupy 8, 16 lub 32 wyjść Zabezpieczanie przed przepięciami i zwarciami

Moduły wejść analogowych Przetwarzają wygnały wejściowe (prądowe lub napięciowe) o wartościach ciągłych Przetworzone wartości są przechowywane w 16-btowych słowach Zmienne związane z sygnałami oznaczane są jako %IW Zawierają przetworniki analogowo-cyfrowe (najczęściej 12-bitowe) Wejścia analogowe są różnicowe lub jednokońcówkowe

Parametry wejść analogowych Rozdzielczość Dokładność Liniowość Tłumienie napięcia wspólnego Tłumienie zakłóceń międzykanałowych Czas uaktualnienia Liczba kanałów Warunki pracy (wilgotność, temperatura, drgania)

Klasyfikacja modułów wejść analogowych Dla sygnałów napięciowych – układy o dużej rezystancji wejścia do pomiaru wartości rzędu -10V +10V Dla sygnałów prądowych Do pomiaru temperatury – zmiana parametru (np. rezystancji) zależnie od różnicy temperatur

Moduły wyjść analogowych Wartości sterujące przechowywane w słowach 16-bitowych przepisywane są do wyjść i przetworników C/A (zwykle 12-bitowych) Zmienne wyjść analogowych oznaczane są jako %QW Wymagane określenie zakresów generowanego prądu lub napięcia

Komunikacja w PLC Komunikacja PLC – komputer poprzez łącze szeregowe (RS-232C, RS-422 lub RS-485) Komunikacja między PLC – wykorzystanie modułów komunikacyjnych wyposażonych w obsługę sieci LAN (Ethernet) Standard MAP (Manufacturing Automation Protocol) – standard komunikacji elementów automatyki

Sieci przemysłowe Sieci komunikacyjne pracujące w czasie rzeczywistym Topologia magistrali (MODBUS) Komunikacja typu master-slave Tryby wymiany danych: zapytanie-odpowiedź i rozgłaszanie Stały format ramki Topologia token ring (PROFIBUS) Architektura zdecentralizowana Komunikacja typu punkt-punkt

Systemy z redundancją Stosowane w dużych sterownikach Gorąca rezerwacja jednostki (Hot Standby) – duplikacja sterowników połączonych ze sobą i zdalnymi stanowiskami I/O (RIOS) Brak lokalnych modułów I/O! Jeden sterownik jest główny (primary), drugi – dodatkowy (secondary) W każdym cyklu uaktualniane obie jednostki!

Przykład systemu z redundancją Jednostka podstawowa Jednostka rezerwowa PS CPU RIO CHS PS CPU RIO CHS światłowód Sieć RIOS