mikroprocesorowe układy sterowaniamysinski.wieik.pk.edu.pl/sp/sterowniki programowalne czesc...
Post on 01-Mar-2019
220 Views
Preview:
TRANSCRIPT
2016-12-10
1
Mikroprocesorowe układy sterowania
Sterowniki Programowalne PLC
1 Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK
Mikroprocesorowe układy sterowania w automatyce przemysłowej
• Czujniki (przetworniki sygnałów) dwustanowe i analogowe • Układy czasowe (wyłączniki czasowe, przekaźniki czasowe) • Układy licznikowe (liczniki programowalne, zegary RTC) • Układy regulacji automatycznej (regulatory dwustanowe, regulatory
trójstanowe, regulatory ciągłe PID, regulatory ciągłe PID +Fuzzy Logic) • Przekaźniki programowalne • Sterowniki programowalne PLC (z ang. Programmable Logic Controller) • Programowalne Sterowniki Automatyki PAC (z ang. Programmable
Automation Controller) • Operator Panel & Programmable Logic Controller - OPLC – Sterownik
programowalny wyposażony w panel operatorski • Układy napędowe wraz sterownikiem PLC (Drive PLC) • Sterowniki numeryczne CNC (z ang. Computerized Numerical Control ,
komputerowe sterowanie numeryczne) • Komputery przemysłowe IPC (z ang. Industrial PC) • Dedykowane systemy sterowania, systemy wbudowane (z ang. embedded
system) • Panele operatorskie
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 2
2016-12-10
2
Przykłady urządzeń mikroprocesorowych z automatyki przemysłowej
Regulatory histerezowe- dwustanowe, ciągłe PID, regulatory temperatury
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 3
Licznik impulsów
Przykłady urządzeń mikroprocesorowych z automatyki przemysłowej
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 4
2016-12-10
3
Przykłady urządzeń mikroprocesorowych z automatyki przemysłowej - przekaźniki czasowe
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 5
Przekaźnik programowalny
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK
Podstawowe cechy: • Wejścia logiczne • Wyjścia logiczne • Wejścia analogowe • Wyjścia analogowe • Interfejs komunikacyjny • Interfejs użytkownika (ekran + klawiatura)
Realizowane funkcje: • Funkcje logiczne • Układy czasowe • Układy licznikowe • Proste funkcje regulacji • Proste operacje matematyczne • Komunikacja z urządzeniami zewnętrznymi
6
2016-12-10
4
Przekaźnik programowalny
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 7
Podstawowe cechy: • Wejścia logiczne • Wyjścia logiczne • Wejścia analogowe • Wyjścia analogowe • Wejścia/wyjścia specjalizowane • Interfejsy komunikacyjne
Realizowane funkcje: • Rozbudowane funkcje logiczne • Rozbudowane i duża liczba układów czasowych • Rozbudowane i duża liczba układów licznikowych • Rozbudowane funkcje regulacji • Zaawansowane operacje matematyczne • Komunikacja z urządzeniami zewnętrznymi
Sterownik PLC
8 Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK
2016-12-10
5
Historia PLC
• Sterowniki PLC opracowane zostały na potrzeby amerykańskiego przemysłu samochodowego, gdzie zastąpić miały układy przekaźnikowe i elementy mechaniczne używane w systemach sterowania.
• W 1968 roku GM Hydramatic (dział biznesowy General Motors zajmujący się automatyką) złożył ofertę na propozycję wymiany stosowanych systemów elektrycznych na urządzenia elektroniczne. Konkurs wygrała firma Bedford Associates z Massachusetts.
• Pierwszym powstałym PLC było urządzenie pierwotnie nazywane "084", gdyż był to osiemdziesiąty czwarty projekt tej firmy.
• W latach 70. zeszłego wieku powstały również pierwsze kompaktowe sterowniki programowalne. • Za protoplastów tych urządzeń uznaje się PLC z serii PM firmy Mitsubishi Electric. Wykorzystywane one
były jedynie przez Mitsubishi w aplikacjach związanych z przemysłem samochodowym. • W 1981 roku firma Mitsubishi Electric wprowadziła na rynek serię sterowników Melsec F, które były
jednymi z pierwszych kompaktowych PLC sprzedawanych w Europie. • O sukcesie sterowników w znaczącym stopniu zadecydowało wprowadzenie do budowy PLC w roku 1977
przez firmę Allen-Bradley ośmiobitowego mikroprocesora Intel 8080. • Dzisiaj urządzenia PLC w zasadzie wyparły przekaźnikowe układy sterowania logicznego. Podstawową
zaletą nowego rozwiązania jest łatwość i szybkość dostosowywania sterowników do różnych zadań przez wymianę oprogramowania, a nie, jak to było wcześniej, przez przygotowanie odpowiedniej dokumentacji elektrycznej i okablowania szaf sterowniczych.
• W latach dziewięćdziesiątych zaczęto powszechnie wykorzystywać komputery PC do programowania sterowników. Napisanie programu czy też wprowadzenie do niego poprawek lub zmian stało się jeszcze prostsze.
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 9
Sterownik PAC - Programmable Automation Controller
PAC – połączenie sterownika PLC i komputera PC Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 10
2016-12-10
6
Sterownik PAC
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 11
Przykład zastosowania PLC – szafa sterownicza
http://psams.pl/dzial-budowy-maszyn/prefabrykacja-szaf-sterowniczych/
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 12
2016-12-10
7
STEROWNIKI PROGRAMOWALNE
• STEROWNIKI PROGRAMOWALNE PLC (Programmable Logic Controllers) są komputerami przemysłowymi, które pracują pod kontrolą systemu operacyjnego czasu rzeczywistego.
• Do głównych zadań realizowanych przez sterowniki PLC należy: – zbieranie sygnałów pomiarowych za pośrednictwem modułów wejściowych z
analogowych i dyskretnych czujników oraz urządzeń pomiarowych, – wykonywanie zadanych programów (algorytmu działania) na podstawie
przyjętych parametrów i uzyskanych danych o sterowanym procesie lub maszynie,
– generowanie sygnałów sterujących zgodnie z wynikami obliczeń programu i przekazywanie ich poprzez moduły wyjściowe do elementów i urządzeń wykonawczych,
– transmitowanie danych za pomocą modułów i łącz komunikacyjnych, – realizowanie funkcji diagnostyki programowej i sprzętowej
• Wartości sygnałów pomiarowych zmiennych procesowych są wejściami sterownika, zaś obliczone zmienne sterujące, stanowią wyjścia sterownika.
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 13
Podział sterowników PLC
• Podział ze względu na budowę: – Sterowniki kompaktowe – brak możliwości rozbudowy,
ustalona liczba wejść/wyjść
– Sterowniki modułowe – możliwości rozbudowy, liczby wejść/wyjść zależna od użytkownika
– Sterowniki rozproszone (sprawdzić)
• Podział ze względu na ilość wejść/wyjść: – Małe sterowniki (nano sterowniki) do 32 wejść/wyjść
– Małe sterowniki (micro) do 128 wejść/wyjść
– Małe sterowniki o budowie modułowej do 256 wejść/wyjść
– Średnie sterowniki od 128 do 1024 wejść/wyjść
– Duże sterowniki powyżej 1024 wejść/wyjść Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 14
2016-12-10
8
System mikroprocesorowy:
• pamięć ROM- Flash •pamięć RAM – SRAM •pamięć RAM – EEPROM •układy wejścia/wyjścia •interfejs szeregowy
Budowa sterownika PLC
Schemat blokowy sterownika PLC
Wejścia logiczne (dwustanowe)
Wejścia analogowe
(napięciowe, prądowe)
Wyjścia logiczne (dwustanowe)
Wyjścia analogowe
(napięciowe, prądowe)
Wejścia komunikacyjne
Wyjścia komunikacyjne
Zasilanie sterownika
Elementy sygnalizacyjne
Izolacja galwaniczna obwodów sterownika
Elementy stykowe
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 15
Elementy składowe PLC Sterownik PLC składa się z: • jednostki centralnej (CPU - 8, 16 lub 32-bitowe) wraz pamięciami (RAM, ROM ,
EEPROM). (Rozbudowane PLC mogą mieć kilka CPU)
• bloków wejść cyfrowych • bloków wejść analogowych • bloków komunikacyjnych • bloków wyjść cyfrowych • bloków wyjść analogowych • bloków specjalnych
– moduł licznika impulsów – moduł pozycjonowania osi – moduły sterowania silnikami – Zegar RTC
• układu zasilacza • modułów komunikacyjnych (np. RS232; RS485, CAN, sieć Ethernet) • elementów sygnalizacyjnych (diody LED, wyś. LCD) • prostych elementów stykowych i regulacyjnych, (prosta klawiatura,
potencjometr nastawny, przełączniki kodowe)
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 16
2016-12-10
9
Budowa sterownika PLC Podstawowe parametry wejść/wyjść w PLC
• Wejścia logiczne Stałoprądowe 12Vdc, 24Vdc, logika dodatnia - Stan „0” logiczne od -30V do +5V, Stan „1” logiczne od +15V do +30V
• Zmiennoprądowe 110Vac, 230Vac, Stan „0” logiczne od 0Vac do 40Vac, Stan „1” logiczne od 80Vac do 250Vac
• Wejścia analogowe – napięciowe 0-5V, 0-10V, +/-5V, +/-10V – prądowe 0-20mA, 4-20mA, +/-20mA – Wejścia dla czujników temperatur
• Rezystancyjne (RTD) - Pt100, Pt1000, Ni100) • Termopara – typu J, K, B, N, T
– Wejścia dla czujników mostkowych (np. tensometrycznych)
• Wyjścia logiczne – Stałoprądowe DC 12Vdc, 24Vdc, – Zmiennoprądowe AC 110Vac, 230Vac – Stało lub zmiennoprądowe DC lub AC (wyjścia przekaźnikowe)
– Wyjścia analogowe – napięciowe 0-5V, 0-10V, +/-5V, +/-10V – prądowe 0-20mA, 4-20mA, +/-20mA
• Interfejs komunikacyjny - szeregowy – RS232, RS422, RS485, CAN, Ethernet, .... • Elementy do wprowadzania danych – pojedyncze przyciski, klawiatura, potencjometr • Elementy do wizualizacji działania – diody LED, wyświetlacze LCD (alfanumeryczne,
graficzne) • Zasilanie sterowników PLC
– stałoprądowe 24Vdc, 48Vdc, – zmiennoprądowe 24Vac, 110Vac, 230Vac, (50Hz lub 60Hz)
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 17
Główni producenci sterowników PLC, PAC
Sterowniki PLC, PAC: • Siemens • ABB • Allen Bradley • B&R • Bosch Rexroth • General Electric • Fanuc • Fatek • Fuji • Mitsubishi Electric • National Instruments • Omron • Panasonic • Phoenix Contact • Pro-face • Schneider Electric • Saia Burgess • Toshiba • VIPA
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 18
Przewidywania rynku PLC, PAC na świecie (http://www.arcweb.com/study-brochures/study-PLC-ww.pdf)
2016-12-10
10
Wejście logiczne pojedyncze
Źródło zasilania obwodu wejściowego
Klucz
Układ czujnika
Sterownik
Io
Uwe
uziemienie
Obwód wejściowy
CPU
Izolacja galwaniczna na optoizolatorach
Wejścia logiczne typu DC 24V lub AC 230V
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK Przykład wejścia typu DC
19
czujnik
Wejście logiczne wielokrotne
Źródło zasilania obwodu
wejściowego
Sterownik
Io
Obwód wejściowy
CPU
Izolacja galwaniczna Wejścia logiczne, prąd
wpływający
COM
czujnik
czujnik
X2
X1
X0
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 20
2016-12-10
11
Wejścia analogowe napięciowe
Ochrona wejścia
Uwe Rwe W ADC
Uwy czujnika
AGND
Iwe
Obwód pomiarowy z wejściem pojedynczym
Ochrona wejścia
+Uwe Rwe
ADC
Uwy czujnika
AGND
Iwe
Obwód pomiarowy z wejściem różnicowym
AGND
Wr +
- -Uwe Iwe
AGND
Możliwa izolacja galwaniczna
CPU
CPU
Zakresy +5V, +10V, +/-10V
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 21
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK
Wejście napięciowe pojedyncze
UWE RWE
W A/C
Sygnał napięciowy z czujnika
AGND
Iwe
Obwód pomiarowy z wejściem pojedynczym
AGND
UWY MCU
DGND
Zalety i wady wejścia pojedynczego: •mała liczba przewodów, •małe koszty przy krótkich odległościach, •małe koszty i prostota układu pomiarowego, •słaba odporność na zakłócenia, •słabe tłumienie sygnałów tzw. wspólnych
AGND1 ∆UGND
VREF
Wewnętrzny system pomiarowy
Dzielnik wejściowy, filtr DP, wzmacniacz pojedynczy, przetwornik A/C i mikrokontroler
zakłócenia
C
R1
R2
DGND
UX
Filtr DP RKABLA
RKABLA1
22
2016-12-10
12
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK
Wejście napięciowe różnicowe
∆Uwe
Rwe WR K
A/C
Sygnał napięciowy z czujnika
Iwe
Obwód pomiarowy z wejściem różnicowym
AGND
Uwy
MCU
DGND
Zalety i wady wejścia pojedynczego: •dobra odporność na zakłócenia, •silne tłumienie sygnałów tzw. wspólnych •większa liczba przewodów, •większe koszty przy dużych odległościach, •większe koszty i bardziej skomplikowany
układ pomiarowy,
AGND1 ∆UGND
VREF
Wewnętrzny system pomiarowy
Dzielnik wejściowy, filtr DP, wzmacniacz różnicowy, przetwornik A/C i mikrokontroler
zakłócenia
C
R1 R2
DGND C
R1
+
- R2
Iwe
Ux
UW2 UW1
Wejściowe Napięcie Różnicowe ∆Uwe= UW1 - UW2
Wejściowe Napięcie dla przet. A/C
UX= K*(UW1 - UW2)
∆Ux
Filtr DP
RKABLA
RKABLA
RKABLA1
UW- UW+
23
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK
Transmisja prądowa sygnałów
• Zalety i wady przesyłania sygnałów w postaci prądowej: – większa odporność na zakłócenia, – eliminacja wpływu rezystancji połączeń (kabla), – możliwość zasilania czujnika i przesyłania sygnału tymi samymi
przewodami, – wymagana zamiana sygnału na postać prądową, konwerter
napięcie/prąd, – wymagany rezystor pomiarowy do zamiany prądu na napięcie
• Sygnały analogowe i logiczne mogą być przesyłane za pomocą wymuszania prądu w obwodzie, tzw. pętla prądowa.
• Można przesyłać łącznie sygnał analogowy i logiczny, np. tak jest w standardzie HART (4-20mA), do szeregowej transmisji danych.
24
2016-12-10
13
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK
Wielokanałowy pomiar napięcia
V0
COM
AIN0
AIN1
AIN2
Multiplekser analogowy
A/C W MCU
UX
Wybór kanału
V1
V2
UX
DGND AGND
25
Wejścia analogowe prądowe
Uwe
Rp W ADC
AGND
Obwód pomiarowy trójprzewodowy z wejściem 0-20mA
AGND
Izolacja galwaniczna
CPU
Zakresy 0-20mA, 4-20mA, +/-20mA
Przetwornik pomiarowy
Uwe
Rp W ADC
AGND
Iwe 4-20mA
Obwód pomiarowy dwuprzewodowy z wejściem 4-20mA
AGND
CPU
Napięcie zasilania przetwornika ok. 12-30Vdc
Przetwornik pomiarowy
Uz
Napięcie zasilania przetwornika ok. 12-30Vdc
Iwe 0-20mA
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 26
2016-12-10
14
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK
Rodzaje wyjść prądowych
C/A
IWY
Obwód wyjściowy prądowy 0-20mA lub 4-20mA (tzw. pętla prądowa), prąd wypływający, (ang. source current), jeden koniec odbiornika podłączony do masy
UWY
AGND
RODB
VZAS Napięcie zasilające konwerter U/I, 24Vdc
RKABLA
MCU UWY Konwerter
U/I
RKABLA
RODBMAX
DGND
C/A
IWY
Obwód wyjściowy prądowy 0-20mA lub 4-20mA, prąd wpływający (ang. sink current), jeden koniec odbiornika podłączony do plus zasilania
UWY
AGND
RODB
VZAS
RKABLA
MCU UWY Konwerter
U/I
RKABLA
RODBMAX
DGND 24Vdc
Możliwa izolacja galwaniczna
27
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK
Budowa wyjścia napięciowego
UWY RODB
W C/A
AGND
Iwy
Obwód wyjściowy napięciowy
AGND
MCU
DGND
Zalety i wady wyjścia napięciowego: •małe koszty przy krótkich odległościach, •małe koszty i prostota układu wyjściowego, •słaba odporność na zakłócenia, •wpływ rezystancji kabla
VREF
Wewnętrzny obwód wyjściowy
Mikrokontroler, przetwornik C/A, wzmacniacz , filtr DP
zakłócenia
C
R1
Filtr DP RKABLA
RKABLA
UODB
RODB MIN
Izolacja sygnałów cyfrowych
Izolacja sygnałów analogowych
Zalety i wady izolacji galwanicznej •bardzo dobra odporność na zakłócenia, •Możliwość doprowadzenia sygnałów
analogowych na różne potencjały, •większa liczba elementów, zmniejszona
dokładność wyjściowa, •większe koszty układu wyjściowego i bardziej
skomplikowany układ wyjściowy, •dodatkowe źródła zasilania
28
2016-12-10
15
Wyjście logiczne pojedyncze
Obciążenie Źródło zasilania
Klucz
Układ sterowania
Sterownik Io
Uk Uo
uziemienie
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK
Izolacja galwaniczna
• Obciążenie może mieć charakter typu R, RL, RLE, RC • Źródło zasilania może być typu DC, AC, DC+AC • W zależności od realizacji klucza, prąd w obwodzie może
płynąć tylko w jednym kierunku (DC) lub w obu (AC)
29
Wyjścia logiczne – prąd wpływający, obciążenie nieuziemione
Układ sterowania
Sterownik
Io2
Vp
R01
COM
X0
X1
X2
R04
R03
Io1
Io3
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 30
2016-12-10
16
Wyjścia logiczne – prąd wypływający, obciążenie uziemione
Układ sterowania
Sterownik
Io2
Vp
COM
X0
X1
X2
R02
R03
Io1
Io3
R01
Odbiornik typu R, RL, RC, RLE, (zasilane DC, AC, DC+AC)
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 31
Wyjścia logiczne w PLC
• Stałoprądowe (DC) tranzystorowe (do ok. 60V, ok. 1A) – Tranzystorowe , NPN, NO (normalnie otwarty), – Tranzystorowe , typu PNP, NO (normalnie otwarty), – Przekaźnik półprzewodnikowy mocy typu DC na tranzystorach MOSFET lub
IGBT • Zalety: małe gabaryty, duża częstotliwość przełączania, mała moc pobierana na
przełączenie • Wady: mała odporność na zwarcia, przeciążenia i przepięcia
• Zmiennoprądowe (AC) (do ok. 250Vac, ok. 5A) – Przekaźnik elektromagnetyczny – wyjście typu AC, DC, DC+AC
• Zalety: większa odporność na zwarcia, przeciążenia i przepięcia, mały spadek napięcia na stykach
• Wady: ograniczone parametry dla zasilania DC, niska częstotliwość przełączania, większe gabaryty, występowanie drgań zestyków
– Przekaźnik półprzewodnikowy (SSR – Solid State Relay) – wyjście tylko AC (triak, tyrystor) • Zalety: brak drgań zestyków, możliwość włączenia w zerze • Wady: tylko jedna para styków, spadek napięcia na kluczu – radiator,
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 32
2016-12-10
17
Programowanie sterowników PLC
W związku z coraz powszechniejszym stosowaniem sterowników PLC pojawiła się konieczność ich standaryzacji i dlatego została opracowana i wydana w 1992 roku przez Międzynarodową Komisję Elektroniki (International Electronical Commission IEC) norma IEC 1131 "Programmable Controllers". Norma międzynarodowa IEC 1131 dotyczy sterowników programowalnych i związanych z nimi urządzeń peryferyjnych takich jak: • narzędzia do programowania i uruchamiania, • wyposażenie testujące, • interfejsy człowiek-maszyna (MMI). • Norma obejmuje: • informacje ogólne (General Informations), • standardy, wymagania i badania dotyczące sprzętu (Equipment and Test
Requirements), • języki programowania (Programming Languages), • wytyczne dla użytkownika (User Guidelines), • specyfikacja usług komunikowania-standardy w zakresie wymiany
informacji (Messaging Services).
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 33
Programowanie sterowników PLC
Języki programowania sterowników (Norma IEC 1131-3 ) • Języki tekstowe:
– Język listy instrukcji IL (Instruction List) – Język strukturalny ST (Structured Text)
• Języki graficzne: • Język schematów drabinkowych LD (Ladder Diagram) • Język schematów bloków funkcyjnych FBD (Function Block Diagram) • Sekwencyjny język graficzny SFC (Sequential Function Chart) • CFC-Graficzny edytor schematów funkcji
• Klasyczne języki programowania (jeżeli producent PLC to dopuszcza) – język C, C++, asembler
Graf sekwencji SFC (Sequential Function Chart) - sposób tworzenia struktury wewnętrznej programu za pomocą grafów zawierających etapy (kroki) i warunki przejścia między tymi etapami. Graf taki może być wykorzystany w jednym z wymienionych wyżej języków w celu otrzymania odpowiedniej struktury programu użytkownika.
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 34
2016-12-10
18
Programowanie sterowników PLC
Język drabinkowy LD
Język Instrukcji IL
Język graficzny blokowy FBD
Język graficzny SFC
Język strukturalny ST
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 35
Język graficzny blokowy FBD
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 36
2016-12-10
19
Język drabinkowy LD
• Jest to język graficzny używający standaryzowanych symboli graficznych. Symbole umieszcza się w obwodach w sposób podobny do szczebli w schematach drabinkowych dla przekaźnikowych układów sterowania.
• Obwód LD (Ladder Diagram) jest po obydwu stronach ograniczony przez szyny prądowe. Szyny te nie są elementami obwodu. Prawa szyna może być rysowana w sposób jawny lub pozostawać w domyśle.
• W języku LD mogą występować standardowe funkcje i bloki funkcyjne. • Język LD pozwala budować zależności logiczne z wykorzystaniem graficznej
reprezentacji wyrażeń boolowskich złożonych ze styków i cewek (elementów 1-bitowych).
• Podstawowymi elementami języka LD są: – styki statyczne: styk zwierny i styk rozwierny, – styki impulsowe: styk reagujący na zbocze narastające i styk reagujący na zbocze, – cewka zwykła i cewka negująca, – cewki z zatrzaskiem: cewka ustawiająca i cewka kasująca, – cewki z zapamiętaniem stanu, cewka ustawiająca z zapamiętaniem stanu i cewka kasująca z
zapamiętaniem stanu, – cewki impulsowe: cewka reagująca na zbocze narastające i cewka reagująca na zbocze
opadające.
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 37
Symbol Rodzaj Opis
--( )-- Boolean (bit)
Stan występujący po lewej stronie jest kopiowany do przypisanej zmiennej i na prawą stronę
--( / )-- Boolean
Stan występujący po lewej stronie jest kopiowany do przypisanej zmiennej w taki sposób ,że dla stanu "ON" z lewej strony do zmiennej przepisywany jest stan "OFF" i na odwrót (Negacja).
--( P )-- Boolean Do zmiennej jest przepisywany "ON" tylko na jeden cykl programu po zmianie stanu z lewej strony z "OFF" na "ON" tzw. zbocze narastające
--( N )-- Boolean Do zmiennej jest przepisywany "ON" tylko na jeden cykl programu po zmianie stanu z lewej strony z "ON" na "OF" tzw. zbocze opadające
--( S )-- Boolean Stan występujący po lewej stronie jest kopiowany "zatrzaskowo„ do przypisanej zmiennej. Powrót zmiennej do stanu "OFF" możliwy jest tylko przy użyciu cewki RESET
--( R )-- Boolean W przypadku wystąpienia stanu "ON" po lewej stronie zmienna jest resetowana do stanu "OFF"
Elementy języka drabinkowego Oznaczenia i symbole stosowane przy tworzeniu programów na sterowniki
PLC w języku drabinkowym – styki wyjściowe
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 38
2016-12-10
20
Elementy języka drabinkowego Oznaczenia i symbole stosowane przy tworzeniu programów na
sterowniki PLC w języku drabinkowym – styki wejściowe
Symbol Rodzaj Opis
|----- Symbol ten oznacza początek linii , występuje zawsze skrajnie po lewej stronie i jego stan jest równy 1 "TRUE" - lewa strona drabinki
------| Symbol ten oznacza koniec linii , występuje zawsze skrajnie po prawej stronie - prawa strona drabinki.
--| |-- Boolean (bit)
Stan występujący po lewej stronie jest przenoszony na prawą stronę w momencie występowania w przypisanej zmiennej stanu "1 - TRUE" . W każdym innym przypadku stan z prawej strony równy jest "0 – FALSE„
--|/|-- Boolean Stan występujący po lewej stronie jest przenoszony na prawą stronę w momencie występowania w przypisanej zmiennej stanu "0 - FALSE". W każdym innym przypadku stan z prawej strony równy jest "0 - FALSE„
--|P|--
Boolean Stan występujący po lewej stronie jest przenoszony na prawą stronę na jeden cykl programu w momencie przejścia zmiennej ze stanu "0 - FALSE" na "1 - TRUE". W każdym innym przypadku stan z prawej strony równy jest "0 - FALSE„. Jest to tzw. zbocze narastające ( z ang. positive transition ) . W praktyce działanie wygląda w ten sposób , że w momencie pojawienia się sygnału "1" w przypisanej zmiennej sygnał z lewej strony symbolu jest przenoszony tylko w tym samym cyklu wykonywania programu , w cyklu kolejnym nie ma znaczenia utrzymywanie się sygnału "1" w przypisanej zmiennej - sygnał nie będzie przenoszony.
--|N|--
Boolean Stan występujący po lewej stronie jest przenoszony na prawą stronę na jeden cykl programu w momencie przejścia zmiennej ze stanu "1 - TRUE" na "0 - FALSE". W każdym innym przypadku stan z prawej strony równy jest "0 - FALSE„. Jest to tzw. zbocze opadające ( z ang. negative transition ) . W praktyce działanie wygląda w ten sposób , że w momencie pojawienia się sygnału "1" w przypisanej zmiennej sygnał nie jest przenoszony dalej . Sygnał z lewej zostanie przeniesiny dopiero kiedy stan zmiennej zmieni się na "0" i to tylko w tym samym cyklu wykonywania programu.
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 39
Symbol Rodzaj Opis
I, X
Input Wejście
W każdym sterowniku PLC mają takie samo oznaczenie , mogą być przypisywane tylko do symboli styków informują o stanie wejść na sterowniku
O, Y
Output Wyjście
W każdym sterowniku PLC mają takie samo oznaczenie , mogą być przypisywane zarówno do symboli cewek (wtedy ustawiają konkretne wyjście sterownika) jak i styków gdzie informują o stanie wyjść .
M Marker Znacznik
Tym symbolem określa się zmienne wewnętrzne sterownika , wykorzystywane są jako cewki i styki, elementy pośrednie programu .
Elementy języka drabinkowego Oznaczenia i symbole stosowane przy tworzeniu programów na sterowniki PLC w
języku drabinkowym
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK
UWAGA !!! Symbole literowe stosowane przy tworzeniu programów w języku drabinkowym mogą być inne w zależności od firmy, która
wyprodukowała sterownik PLC i oprogramowanie.
40
2016-12-10
21
Elementy języka drabinkowego - przykłady
Funkcja NOT
Funkcja AND
+24V
MCU Ro2
Ro1
+24V
I0.1
I0.0
COM1
Q0.0
Q0.1
230V/50Hz
Interfejs komunikacyjny
Styki czujników wejściowych Odbiorniki
Funkcja NAND
Funkcja OR
Funkcja NOR
Funkcja XOR
COM2
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 41
Elementy języka instrukcji IL
Lista Instrukcji – (Instruction List) jest to język w formule zbliżony do asemblera, opisany w taki sposób aby był zrozumiały dla większości automatyków nie mających do tej pory styczności ze sterownikami PLC ani z programowaniem w asemblerze. Przeważnie każdemu elementowi w języku drabinkowym odpowiada jakaś funkcja w języku instrukcji. Prawie każde oprogramowanie w języku drabinkowym można przekonwertować do postaci języka instrukcji.
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK
Najpopularniejsze języki programowania PLC według raportu z 2009, Automatyka B2B
42
2016-12-10
22
Elementy języka instrukcji IL
Symbol Rodzaj Opis
LD Bool, word , integer
"Załaduj„ Załadowanie wartości zmiennej do aktywnego rejestru (z informatyki odpowiednikiem byłoby ładowanie na stos) .Zmienna występująca zwykle po prawej od wyrażenia może być właściwie dowolnego typu , uzależnione to jest od operatora , który wystąpi po niej.
ST Bool, word , integer
"Ustaw„ Zapamiętanie (przepisanie) wartości z aktywnego rejestru do zmiennej.
S Bool "Ustaw" Zapamiętanie tzw. zatrzaskowe wartości zmiennej "1", zmiana stanu możliwa jest tylko przez funkcję Kasuj
R Bool "Kasuj" stan zmiennej jest resetowany do "0"
AND Bool Operator logiczny "I"
OR Bool Operator logiczny "LUB"
ADD, SUB, MUL DIV
Bool, word, integer
Dodawanie, odejmowanie, mnożenie , dzielenie
GT, GE, EQ, NE, LE,LT
Bool, word, integer
Większe niż : ">„ , Większe lub równe : " ≥ „ , Równe : " = " , Nie równe : " ≠ " , Mniejsze lub równe : " ≤ " , Mniejsze : " < „
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 43
Język FBD • FBD jest językiem graficznym, który pozwala budować rozbudowane
aplikacje wykorzystując gotowe bloki funkcyjne lub procedury znajdujące się w bibliotece.
• Pisanie aplikacji w tym języku polega na wyborze odpowiedniego bloku funkcyjnego i umieszczeniu na ekranie edytora graficznego.
• Funkcje te w programie są widziane jako prostokąty realizujące zależności pomiędzy zmiennymi wejściowymi a zmiennymi wyjściowymi.
• Wejścia i wyjścia funkcji, łączone między sobą tworzą strukturę programu. • Bloki funkcyjne mogą być podzielone na następujące grupy:
– bloki funkcyjne umożliwiające tworzenie struktury programu, – funkcje Boolowskie, – funkcje arytmetyczne, – funkcje logiczne, – funkcje porównania, – funkcje manipulacji na bitach, – funkcje zegara, funkcje licznika, – funkcje przetwarzania sygnałów ciągłych, funkcje generowania sygnału, – funkcje matematyczne, funkcje trygonometryczne, funkcje manipulacji na
bitach, – funkcje konwersji, funkcje operacji na stringach, funkcje operacji na tablicach.
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 44
2016-12-10
23
Najpopularniejsze języki programowania PLC – opinia krajowych dostawców sterowników programowalnych
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 45
SEKWENCYJNY JĘZYK GRAFICZNY (SFC) • Język ten jest podstawowym językiem zdefiniowanym w normie IEC 1131-3. Opisuje on operacje,
wykorzystując prostą reprezentację graficzną dla poszczególnych kroków procesu i warunków nazywanych tranzycjami. Wyrósł on na gruncie metod opisu automatów sekwencyjnych, do których zalicza się : – metodę polegającą na użyciu grafu przejść (każdy węzeł grafu jest związany ze stanem automatu, natomiast
łuk grafu jest określony przez zmienną logiczną lub funkcję kilku zmiennych) – metodę tablicy stanów (liczba kolumn rośnie wykładniczo ze wzrostem liczby wejść np. dla 20 wejść w tablicy
stanów potrzeba więcej niż milion kolumn) – ściśle związaną z fizyczną realizacją metodę schematów drabinkowych opierającą się na analogii do
schematów przekaźnikowych.
• Wzrost złożoności systemów sterowania sekwencyjnego doprowadził do zdefiniowania w roku 1977 metody Grafcet. Wykorzystuje ona formalizm sieci Petriego typu P/T (Pozycja/Tranzycja) zmodyfikowany dla procesów dyskretnych.
• Zaletą jej jest zapis funkcji sekwencyjnych w sposób niezależny od realizacji sprzętowej i programowej. Na założeniach metody Grafcet w normie IEC 1131-3 zdefiniowano sposób opisu działania sterownika w postaci sekwencji SFC (Sequential Function Chart).
• Proces cykliczny jest podzielony na kolejne kroki oddzielone warunkami logicznymi. Formalizm ten może być wykorzystany przy programowaniu sterownika w celu stworzenia odpowiedniej struktury wewnętrznej programu.
• Zwykle do opisu poszczególnych akcji związanych z krokami i warunkami wykorzystuje się inne języki. Język ten umożliwia równoległe przejście pomiędzy dwoma krokami lub tranzycjami, co oznacza , że istnieje w nim możliwość równoległego przetwarzania części programu.
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 46
2016-12-10
24
Wybór języka programowania PLC Wybór właściwego języka
Mając do dyspozycji kilka różnych języków programowania, przed wyborem konkretnego z nich należałoby odpowiedzieć sobie na kilka kluczowych pytań. Oczywiście naturalną tendencją jest pozostawanie przy tym języku, który znamy. Jednak zawsze warto wziąć pod uwagę umieszczoną poniżej listę cech innych języków: – łatwość nadzoru przez użytkownika końcowego: SFC, – powszechność i akceptacja języka: LD, – znajomość i akceptacja w Europie: IL lub ST, – prędkość wykonywania przez PLC: IL lub ST, – aplikacje wykorzystujące głównie cyfrowe We/Wy oraz prosta regulacja ciągła: LD lub FBD, – łatwość dokonywania zmian w kodzie: LD, – łatwość i umiejętność obsługi przez młodych inżynierów: ST, – łatwość w implementacji skomplikowanych operacji matematycznych: ST, – aplikacje, które cechują powtarzające się operacje lub procesy wymagające łączenia i jednoczesności
operacji: SFC.
• Ponieważ nie wszyscy dostawcy sterowników PLC lub PAC dostarczają programy narzędziowe w pełni zgodne z normą IEC61131-3, na wybór języka programowania może również wpłynąć wykorzystywana w projekcie platforma sprzętowa.
• W rzeczywistości większość pozaeuropejskich dostawców nie oferuje tej funkcjonalności lub posiada bardzo ograniczone spektrum opcji, np. oferując jedynie język drabinkowy i SFC.
• W przypadku małych sterowników – „mikro” PLC – kwestią kluczową z punktu widzenia różnorodności języków programowania może być również brak wystarczającej ilości pamięci oraz zbyt mała prędkość procesora.
• Wielu programistów skazanych jest na pracę z konkretnym sprzętem. Jeśli jednak programista ma wpływ na wybór platformy sprzętowej, powinien dobrać najbardziej odpowiedni dla danej aplikacji język lub grupę języków.
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 47
Przykład sterownika modułowego PLC PCD2.M480,
Kaseta główna z szybkim procesorem Motorola Coldfire 5407@162 MHz, 1MB pamięci RAM (rozszerzalnej o 1MB pamięci Flash EPROM typu R400), obsługa do 64 gniazd modułów we/wy (do 1024 we/wy), port USB, do 8 łączy komunikacyjnych: gniazdo A dla modułów PCD7.F1xx, gniazda B1, B2 dla różnych kombinacji modułów funkcyjnych PCD7.F5xx, sieci PROFIBUS DP, S-Net oraz Ethernet TCP/IP 10/100 Mbit/s, wbudowany Web-Server.
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 48
2016-12-10
25
Sterownik PCD2.M480
Schemat blokowy sterownika PCD2.M480, firmy SAIA
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 49
Najbardziej znane na polskim rynku marki sterowników
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK
Raport z 2009, Automatyka B2B
50
2016-12-10
26
Komputery przemysłowe – podstawowe informacje
Komputer przemysłowy (IPC) – komputer przeznaczony do działania w warunkach przemysłowych (np. w halach fabrycznych). Charakteryzuje się większą odpornością na warunki zewnętrzne i zwiększonym poziomem niezawodności działania.
• Rynkiem dla takich komputerów są głównie zakłady przemysłowe, chociaż można je stosować także jako komputery wbudowane. Zasadniczym celem ich wykorzystania jest kontrola i sterowanie procesami przemysłowymi. Jednak architektura logiczna takiego komputera może być w pełni kompatybilna z komputerami osobistymi klasy PC. Dzięki temu może to być sprzęt do specyficznych zastosowań i jednocześnie dobrze udokumentowany, i powszechnie znany.
• Architektura – IA-32 (Intel x86-32) system GNU/Linux, Microsoft Windows. Ze względu na zastosowanie w kontrolowaniu procesów, zwykle uruchamiane są na nich systemy operacyjne czasu rzeczywistego takie jak QNX, RTLinux lub Windows CE.
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 51
Komputery przemysłowe Cechy charakterystyczne komputerów przemysłowych • zwarta budowa (brak "odstających" elementów), • możliwość dołączenia modułów (karty typu PCI) lub np. według standardu PC-104 -
forma "wieżyczki", • duża wytrzymałość na warunki środowiskowe - przykładowy komputer przemysłowy
może pracować bezbłędnie gdy: – temperatura powietrza: 0°C - 60°C (przechowywanie: -40°C - 85°C), – wilgotność wynosi: 0% - 95% (ale bez kondensacji pary wodnej), – oddziałują na niego wibracje, – powietrze jest zapylone,
• brak konieczności stosowania wentylatorów do chłodzenia płyty głównej i procesora, • chipset ze zintegrowaną kartą graficzną, sieciową, kontrolerem dysków, • możliwość bezpośredniego podłączenia wyświetlacza LCD do płyty głównej.
Przykładowe wyposażenie komputera przemysłowego • Zintegrowany w chipsecie kontroler grafiki pozwala uzyskać niezależne obrazy w
wysokiej rozdzielczości poprzez wyjścia DVI, HDMI i LVDS (opcjonalnie). • Szerokie możliwości komunikacyjne: porty Gigabit Ethernet ( z Wake On LAN), porty
szeregowy: konfigurowalne jako RS-232/422/485 natomiast kolejne 2 RS-422/485 są izolowane do 7,5kV.
• 6 portów USB 2.0 , 8-bitowe DIO oraz wyjście Audio typu Dual Chanel. Dodatkowo w standardowym wyposażeniu otrzymujemy 6 programowalnych przycisków funkcyjnych umieszczonych na froncie obudowy.
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 52
2016-12-10
27
IPC - Industrial Personal Computer Przykłady komputerów przemysłowych
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 53
IPC - Industrial Personal Computer Przykłady komputerów przemysłowych
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 54
2016-12-10
28
Rozwój PLC, PAC, IPC
• Funkcjonalność i technologia sterowników programowalnych jest cały czas rozwijana. Na rynku PLC widoczna jest miniaturyzacja oraz zwiększanie ich możliwości funkcyjnych.
• W wyniku wprowadzania zmian coraz łatwiejsze staje się zarządzanie siecią, łączenie PLC z urządzeniami peryferyjnymi i włączanie ich do systemów sterowania. Rozbudowywane są moduły komunikacyjne.
• Stosowane są również zdalne moduły we/wy z użyciem sieci Ethernet, PROFInet, PROFIbus itp. Następuje integracja sterowników ze światem IT. PLC współpracują z webserwerami, FTP, SQL, WWW, GSM itd. PLC przejmuje funkcje dedykowanych modułów, np. do sterowania ruchem. Widoczny jest wzrost szybkości, mocy obliczeniowej i pamięci sterowników, dzięki czemu można sterować coraz większymi procesami w czasie rzeczywistym.
• Zauważalnym trendem na rynku PLC jest zdecydowanie większa swoboda komunikacji. Dodatkowo otwarte standardy ułatwiają integrację i skracają czas uruchomienia systemu. PLC są również oparte na systemach embedded (Windows, Linux).
• Coraz częściej PLC stosuje się w automatyce domowej - proste sterowanie modułami oświetleniowymi, kontrolą dostępu, bramami itp.
• Kontrolery PAC są naturalną drogą rozwoju sterowników PLC, dlatego znaczący producenci PLC już oferują lub wkrótce będą mieli je w ofercie.
• Komputery przemysłowe IPC w obecnej chwili nie stanowią silnej konkurencji dla PLC. Rozwiązania z IPC znajdują swoje zastosowania w urządzeniach, gdzie konieczne jest połączenie wysoko specjalizowanych modułów, np. pomiarowych z wykorzystaniem połączeń ethernetowych, lub wymagana jest komunikacja z systemami informatycznymi.
• W przyszłości kontrolery PAC i IPC będą stanowić konkurencję dla PLC. Urządzenia te są coraz tańsze, a oferują znaczną różnorodność rozwiązań. W wielu przypadkach sterowanie PLC jest zastępowane systemami PAC i IPC, mają też dużą moc obliczeniową.
Semestr zimowy 2016/2017, WIEiK-PK 55
top related