PROGRAMOWALNE STEROWNIKI CYFROWE Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych Programowalne sterowniki cyfrowe PROGRAMOWALNE STEROWNIKI CYFROWE Kierunek Elektrotechnika, Automatyzacja przemysłu, semestr VI Punkty (kredyty akademickie – KA) 5 Liczba godz.: W – 30E L – 30 (10 x 3 godz.) Zasady zaliczenia przedmiotu: wykład – egzamin, laboratorium – zaliczenie z oceną Dr inż. Jarosław WERDONI WE – 132 WE – 015

Ogólna charakterystyka przemysłowych systemów cyfrowych. Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych Programowalne sterowniki cyfrowe Program szczegółowy: Ogólna charakterystyka przemysłowych systemów cyfrowych. Podstawowe definicje, określenia, ogólne wymagania dotyczące sprzętu i oprogramowania. Systemy uniwersalne oraz specjalizowane. Standardy światowe oraz tendencje rozwojowe w przemysłowych systemach czasu rzeczywistego. Struktura i funkcje typowych programowalnych sterowników cyfrowych. Języki programowania sterowników cyfrowych. Uruchamianie i diagnostyka systemów ze sterownikami cyfrowymi. Moduły rozszerzeń wejść i wyjść cyfrowych i analogowych. Sposoby eliminacji zakłóceń przemysłowych. Standardowe łącza przemysłowe. Przykłady wybranych rozwiązań cyfrowych systemów sterowania procesami technologicznymi.

Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych Programowalne sterowniki cyfrowe Literatura podstawowa: Plaza A., Wróbel E. J.: Systemy czasu rzeczywistego. Warszawa, WNT 1988. Broel – Plater B.: Sterowniki programowalne – właściwości i zasady stosowania. Szczecin, WE PSz 2000. Król A., Moczko – Król J.: S5/S7 Windows. Programowanie i symulacja sterowników PLC firmy SIEMENS, Nakom, Poznań 2000. Legierski T., Wyrwał J., Kasprzyk J., Hajda J.: Programowanie sterowników PLC, WPK, Gliwice 1998 Wójciak A.: Mikroprocesory w układach przekształtnikowych. Warszawa, WNT 1992. W. Hejmo, R. Kozioł: Systemy mikroprocesorowe w automatyce napędu elektrycznego. Warszawa, WNT 1994. Mielczarek W.: Szeregowe interfejsy cyfrowe. Gliwice, HELION 1993. Czasopisma naukowe. Materiały katalogowe firm krajowych i zagranicznych.

Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych Programowalne sterowniki cyfrowe Historia rozwoju sterowników programowalnych 1968 – pojawiła się koncepcja zbudowania specjalistycznego urządzenia przeznaczonego do sterowania procesami dyskretnymi. Urządzenie takie powinno być tanie, proste w montażu i programowaniu, możliwe do programowania na „obiekcie”. 1969 – pojawił się pierwszy „sterownik programowalny” wykorzystujący jednostkę centralną (CPU) wykonaną z elementów dyskretnych, mający pamięć o pojemności 1kB oraz obsługujący do 128 wejść i wyjść. 1974 – sterowniki programowalne rozbudowano o nowe funkcje, wprowadzając do nich liczniki, układy odliczające upływ czasu (przekaźniki czasowe nazywane często timerami lub zegarami) oraz możliwość wykonywania obliczeń na liczbach -–operacje arytmetyczne. 1977 – firma Allen – Bradley Corporation zastosowała system mikroprocesorowy INTEL 8080 do budowy sterownika programowalnego, można zatem stwierdzić, że wówczas powstał sterownik programowalny w dzisiejszym rozumieniu tego słowa. 1980 – zastosowano w systemie sterownika programowalnego „inteligentne” moduły obiektowe, wprowadzono funkcje komunikacyjne i zastosowano mikrokomputery do programowania sterowników. 1983 – sterowniki programowalne zaczęły być powszechnie stosowane, bowiem w związku z postępami mikroelektroniki na rynku pojawiły się małe i tanie sterowniki programowalne. 1985 – zaczęto stosować układy sterowania wykorzystujące sieci sterowników programowalnych, programy wizualizacyjne i rozproszone hierarchiczne układy sterowania. 1992 – obserwuje się szybki, ale też i chaotyczny rozwój sterowników. Poszczególni producenci forsowali własne rozwiązania – dotyczyło to zwłaszcza standardów komunikacyjnych, systemów oznaczania zmiennych oraz języków programowania sterowników. Sytuacja zmieniła się po wprowadzeniu normy IEC 1131. Norma ta od 1996 roku obowiązuje w Polsce, oznaczona jako PN-IEC1131.

Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych Programowalne sterowniki cyfrowe Zalety systemów cyfrowych (mikroprocesorowych) unifikacja pod względem sprzętowym, realizowana przez system funkcja jest określana na drodze programowej, wysoka niezawodność oraz odporność na zmiany temperatury, napięcia zasilającego, starzenie się elementów, łatwe zapewnienie izolacji galwanicznej pomiędzy obwodami, proste strojenie układu (na drodze programowej). Systemy czasu rzeczywistego System mikroprocesorowy działa w czasie rzeczywistym, jeżeli czas reakcji tego systemu jest niezauważany przez proces technologiczny (decyzja jest wypracowywana we właściwym czasie). Pojęcie czasu rzeczywistego jest pojęciem względnym. Dany system mikroprocesorowy może być systemem czasu rzeczywistego lub nie w zależności od postawionych mu zadań.

Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych Programowalne sterowniki cyfrowe Sygnały opisujące proces technologiczny procesy ciągłe zmienne ciągłe – analogowe, zmienne cyfrowe (uzyskiwane np. dzięki zastosowaniu przetworników A/C), procesy dyskretne zmienne nieciągłe – dyskretne. Z punktu widzenia układu sterowania sygnały można podzielić na: sygnały wejściowe, sygnały wyjściowe. Miarą niezawodności są: średni czas międzyuszkodzeniowy – 5 tysięcy godzin i więcej, średni czas naprawy – istotne w handlu, obsłudze bankowej itp. – np. 5 minut – czas odtworzenia bazy danych

Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych Programowalne sterowniki cyfrowe

Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych Programowalne sterowniki cyfrowe

Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych Programowalne sterowniki cyfrowe

Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych Programowalne sterowniki cyfrowe

Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych Programowalne sterowniki cyfrowe

Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych Programowalne sterowniki cyfrowe Koniec 07.03

Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych Programowalne sterowniki cyfrowe

Rys. 3.2. Struktura logiczna sterownika programowalnego Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych Programowalne sterowniki cyfrowe Rys. 3.2. Struktura logiczna sterownika programowalnego

Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych Programowalne sterowniki cyfrowe

Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych Programowalne sterowniki cyfrowe

Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych Programowalne sterowniki cyfrowe

Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych Programowalne sterowniki cyfrowe

Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych Programowalne sterowniki cyfrowe

Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych Programowalne sterowniki cyfrowe Rys. 4.10. Przykład realizacji separacji galwanicznej na wejściu i wyjściu sterownika

Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych Programowalne sterowniki cyfrowe Koniec wykładu 10.03.06

Klasyfikacja połączeń miedzy sterownikami Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych Programowalne sterowniki cyfrowe Klasyfikacja połączeń miedzy sterownikami MPI – (ang. multipoint interface), stosowane do wymiany informacji pomiędzy wieloma urządzeniami, PPI – (ang. point-to-point interface), stosowane do wymiany informacji pomiędzy dwoma urządzeniami.

Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych Programowalne sterowniki cyfrowe Standardowe łącza komunikacyjne AS-Interface (ang. Actuator-Sensor-Interface), prosta sieć stosowana do bezpośredniego połączenia dwustanowych (binarnych) czujników (ang. sensor) i urządzeń wykonawczych (ang. actuator), które wymagają stosunkowo niewielkiej intensywności wymiany informacji: jest to sieć typu master-multi_slave, w której jedno urządzenie nadrzędne (master) może obsłużyć do 31 urządzeń typu slave, z których każde może adresować do 4 wejść i 4 wyjść dwustanowych; elementami sieci mogą być sterowniki wyposażone w procesor ASI, transmisji danych w sieci dokonuje się przez parę przewodów, która może także zasilać urządzenia włączone w sieć; PROFIBUS (Process Field BUS) to obecnie najbardziej rozpowszechniona sieć przemysłowa oparta na normie EN 50170 (European Fieldbus Standard), siec ta wykorzystuje warstwowy model sieci OSI, dzięki czemu charakteryzuje się ona dużą elastycznością i uniwersalnością; sieć ma topologię pierścienia (ang. token ring) z liczbą węzłów ograniczoną do 127, maksymalna długość (skrętka transmisja RS485 lub światłowód) linii wynosi 1200 m (maksymalnie 32 urządzenia), a ze wzmacniaczami (maksymalnie 4) do 4800 m (maksymalnie 127 urządzeń), szybkość transmisji wynosi 12Mb/s. Sieć PROFIBUS wykonywana jest jako PROFIBUS-DP, PROFIBUS-PA oraz PROFIBUS-FMS;

Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych Programowalne sterowniki cyfrowe Standardowe łącza komunikacyjne cd. PROFIBUS-DP, europejska magistrala standardowa przeznaczona do szybkiej komunikacji z rozproszonymi urządzeniami peryferyjnymi (DP – ang. distributed peripherials), jest to szybka sieć przeznaczona do zastosowań krytycznych czasowo. W sieci mogą pracować 3 urządzenia typu master, które mogą inicjować komunikację urządzeń typu slave będących węzłami rozproszonej sieci, szybkość transmisji zależy od długości linii: od 9,6 kb/s przy długości linii do 1200 m do 12 Mb/s przy długości linii do 100 m. Urządzenia łączone są ze sobą za pomocą pary przewodów w ekranie; PROFIBUS-PA, oparta na standardzie PROFIBUS-DP magistrala o zwiększonej niezawodności wymiany informacji przeznaczona do sterowania procesami wolnozmiennymi, wykorzystuje technikę transmisji opisaną w normie IEC 1158-2 i umożliwia uzyskanie rozwiązań iskrobezpiecznych wymaganych np. w przemyśle chemicznym, standardowa szybkość transmisji wynosi 31,25 kb/s; PROFIBUS-FMS, to sieć przeznaczona do wykorzystywania na poziomie wydziału produkcyjnego lub jako sieć nadrzędna stosowana na poziomie zarządzania, może realizować funkcje asynchronicznego i cyklicznego przekazu informacji z umiarkowaną prędkością, protokół FMS (ang. Field Message Specification) oferuje wysoką funkcjonalność i elastyczność sieci, sieć FMS zapewnia prędkość transmisji do 500kb/s;

Katedra Energoelektroniki i Napędów Elektrycznych Programowalne sterowniki cyfrowe Standardowe łącza komunikacyjne cd. INDUSTRIAL ETHERNET to sieć o dużej szybkości transmisji służąca do wymiany danych masowych; może ona połączyć ze sobą sterowniki i komputery warstwy sterowania produkcją z komputerami sfery przygotowania i obsługi produkcji, podstawowy standard sieci umożliwia transmisję z prędkością 10 Mb/s; ETHERNET TCP/IP (ang. Transmission Control Protocol/Internetwoek Protocol), przemysłowa wersja komunikacji w sieciach WWW; Cs CAN to sieć umożliwiająca przesyłanie danych pomiędzy 253 urządzeniami na odległość do 2000 m z użyciem repetytora sieci, a pomiędzy 63 urządzeniami na odległość do 500 m bez repetytora, prędkość transmisji wynosi 1 Mb/s, możliwe jest monitorowanie pracy i konfigurowanie każdego urządzenia z dowolnego węzła sieci; MODBUS to sieć standardowo implementowana w wielu typach sterowników programowalnych, zapewnia komunikację typu półdupleks w układzie master – slave; pomiędzy urządzeniami pracującymi w sieci wymieniane są pakiety danych oraz pakiety kontrolne, typowa linia pracuje w standardzie TTY i fizycznie jest parą przewodów, maksymalna prędkość transmisji wynosi 38,4 kb/s, co daje średnią przepustowość około 1000 rejestrów 16 – bitowych na sekundę.