Střední škola, Ostrava-Kunčice, příspěvková organizace Vratimovská 681

2. Střední škola, Ostrava-Kunčice, příspěvková organizace Vratimovská 681 Téma:Programovatelné automaty a jejich začlenění do systému průmyslového řízení. Zpracováno pro studentskou odbornou soutěž Den strojařů. Na práci se podíleli:Daniel REDL, Radek NOVÁK, Martin TVARDEK

3. Motto: Sebekvalitnější stroje a technologické linky nemohou být úspěšné, pokud nebudou automatizovány, nebudou vybaveny kvalitním řízením a inteligencí. Znalost automatizační techniky je strategickou kvalifikací a velkou konkurenční výhodou.

4. Obsah • Automatizace v různých oborech • Úvodní seznámení s programovatelnými automaty (PLC) • Systémy automatizace • Proč právě programovatelné automaty? • Konfigurace programovatelných automatů • Mikro programovatelné automaty • Kompaktní programovatelné automaty • Modulární programovatelné automaty • Komunikační možnosti • Začlenění PLC do systému • Hardware řídicích systému • Programování PLC • Vykonávání programů PLC • Programovací jazyky PLC • Struktura programovatelných automatů • Programovací a vývojové prostředky • Struktura paměti a registru • Struktura zápisníkové paměti • Logické funkce • Logické řízení (příklad) • Hlavní prvky programovatelného automatu • Základní pojmy • Základní požadavky na logické automaty • Funkční prvky PLC

5. PROGRAMOVATELNÉ AUTOMATY (PLC) Automatizace v různých oborech Automatické řízení výrobních strojů (mechanizace, automatizace). Mechanizace - je to proces kdy se využívá strojů k odstranění namáhavé a opakující se fyzické práce člověka. Automatizace - je to proces, kdy technická zařízení využíváme k nahrazení nejen k fyzické práce člověka ale zejména k nahrazení řídící činnosti lidí, tedy činností, která jsou spojena především s myšlením-např. výpočtové práce, rozhodování, zapamatování, vyhledávání apod. Dnes je automatizace běžný proces. Kvalitní a inteligentní řízení je dostupné i pro obyčejné stroje i pro náročnější technologické procesy. Hlavní součástí automatizační techniky je výpočetní technika. PC jsou dnes běžnou součástí našeho života. Průmyslové počítače se někdy používají při přímém řízení strojů a technologií, někdy zase jen v roli operátorského panelu nebo komunikačního adaptéru. Jsou tedy používány zejména tam kde je potřeba archivace a zpracování velkých objemu dat atd. Úvodní seznámení s PLC Programovatelné automaty jsou řídicí systémy přizpůsobené pro řízení průmyslových a technologických procesu, nejběžněji specializované na úlohy převážně logického typu. Nejčastěji se označují zkratkou PLC (Programmable Logic Controller). Jsou nejpoužívanějším automatizačním prostředkem využívány zhruba 30 let a jsou určeny pro nasazení do tvrdých podmínek průmyslového prostředí. Tomu odpovídá jejich konstrukce, především robustnost a odolnost proti rušení. Jejich vlastností je programovatelnost na úrovni blízké mentalitě konstruktéra nebo projektanta.

6. Dobré komunikační schopnosti určují současné programovatelné automaty k úloze podsystému v distribuovaných systémech, vzdálených dispečerských pracovišť a řídících počítačů, v integrovaných řídicích a informačních systémech. PLC se také uplatňují jako inteligentní komunikační adaptéry pro spojení neslučitelného (nesourodých řídicích systému, modemu,specializovaných přístrojů), někdy slouží jen k realizaci inteligentního operátorského rozhraní a ke komunikaci s obsluhou (inteligentní operátorský systém-lOS). Provedení programovatelných automatů obr. 1.1 PLC

7. Systémy automatizace Nově vyvinutý modulární systém automatizace muže být sestaven individuálně pro malé nebo velké aplikace. Redukuje rozhraní v hardwaru a softwaru. Funkčnosti informační technologie jsou již integrovány. Prostředí spojuje funkce pro programování, konfiguraci, zkoušení a uvádění do provozu včetně vizualizace do jediného nástroje, a to pro celé spektrum výrobku. Provedení PLC obr. 1.2 Automatizační technika je používána především proto, aby sloužila spolehlivě. PLC, jako systémy pro průmyslové aplikace, jsou konstruovány s ohledem na maximální spolehlivost a odolnost proti rušení. Jejich poruchovost bývá zanedbatelná, obvykle pod úrovní poruchovosti běžných prvku (relé, stvkačů, konektoru, svorkovnic, mechanických spínačů). Přesto je třeba při provozu dodržovat určité zásady a doporučení. Jejich ignorování má za následek zhoršenou spolehlivost nebo zkrácenou životnost automatizovaného celku.

8. Nejčastějšími zdroji poruch bývá změna vlastností technologického objektu (uvolněné spoje, zadření, přehřátí, ucpání, změna parametru). Mnohdy je příčinou selhání lidského faktoru (únava, nezvládnutí náročné situace, neznalost, nedbalost), vyskytují se i případy záměrného poškození (nechuť k práci, vandalství). Nejžádanější je bezobslužný provoz, kdy řídicí systém musí rozpoznat i ty chybové stavy, které obsluhující rozeznával svými smysly (zamrzání, mechanické poškození, požár, přehřátí motoru, únik plynu, vody páry, chybně seřízený hořák), intuitivně rozpozná řadu dalších poruch nebo rizik. Technická diagnostika a zabezpečovací technika se stává důležitou součástí automatizační techniky. Jejím cílem je testovat bezchybnou činnost řídicího systému i řízené technologie jako celku, rozpoznat vzniklé nebo hrozící závady a správně na ně reagovat tak, aby nedošlo k havárii nebo k úrazu a aby byly minimalizovány ztráty. Užitečná je i pomoc servisnímu technikovi, kdy systém hlásí příčinu závady, napomáhá k jejímu odstranění a zkontroluje bezchybnou činnost po opravě. Ideálním případem je systém odolný proti poruchám, který pracuje bezchybně i při výskytu běžných poruch. Diagnostika a zabezpečovací technika se prolínají a v automatizovaných soustavách se obvykle setkávají jako např. v inteligentních budovách, v jejíž řízení jsou integrovány protipožární a bezpečnostní systémy. Náročné požadavky na zabezpečovací techniku mají exponované rizikové provozy (jaderné elektrárny, chemičky, farmaceutické podniky), význam zabezpečovací techniky roste i v jiných výrobních provozech, ve skladech, v dopravě apod. Základní jednotka pro malé a kompaktní instalace obr. 1.3

9. Při ručním řízení vykonává všechny operace člověk. Při přímém řízení působí řídicí systém (PLC) na řízený objekt jednosměrně, jen je ovládá a nekontroluje dosažený stav. Mezi systémem a řízeným objektem jsou zařazeny jen akční členy. Při zpětné vazbě řízení, získává řídicí systém zpětnou informaci o stavu řízeného objektu. Porovnává požadovaný stav se skutečným, a podle zjištěné odchylky upravuje své akční zásahy tak, aby dosáhl požadovaného stavu (nebo mu alespoň co možná nejvíce přiblížil). Zpětná vazba řízení je typické pro regulační úlohy. Při použití PLC to znamená, že zadání žádané hodnoty je provedeno v číslicové formě, s číselnou informací systém operuje i při zpracování skutečné hodnoty a odchylky, ale i při výpočtech pomocných veličin potřebných k realizaci regulačního algoritmu. Řízený objekt je proto třeba doplnit o potřebné snímače pro měření stavu sledovaných veličin (např. teploty, hladiny, polohy, tlaku apod.) Za zpětnovazební řízení můžeme považovat i logické řízení, při kterém na objekt působíme jen dvouhodnotovými povely typu "vypni- zapni" a zpracováváme i zpětnovazební informace dvouhodnotového charakteru ve významu hlášení o vykonání povelu nebo překročení povolených hodnot (např. "hladina nízká", "hladina překročena", "nádrž prázdná", "nádrž plná" apod.) Pro oba případy je navíc naznačena komunikační vazba řídicího systému k nadřízenému počítačového systému (např. monitorování procesu). Ponechána je i účast člověka na řízení procesu, protože i v automatizovaných procesech bývá jeho přítomnost nezbytná. Mnohdy se i při ručním řízení (např. stroje) uplatňuje řídicí systém, nejčastěji PLC. Obvykle je nezbytný už jen k obsluze, ke komunikaci s operátorským panelem, ke zpracování povelu operátora, k vyhodnocení stavu stroje a k jejich zobrazení, jako prostředník mezi povely operátora a mezi jednotlivými akcemi pro řízení stroje, pro měření a pro zpracování měřené informace, pro logické ochrany stroje apod. Řídící relé s displejem a tlačítky Moeller Easy 700 obr.l.4

10. Proč právě PLC Hlavní předností PLC je možnost rychlé realizace systému. Technické vybavení nemusí uživatel vyvíjet. Stačí navrhnout sestavu modulu programovatelného automatu pro danou aplikaci, vytvořit projekt, napsat uživatelský program a pak to vše realizovat a uvést do chodu. Technické vybavení programovatelných automatu je navrženo tak, že jsou spolehlivé i v drsných průmyslových podmínkách, jsou odolné proti rušení i poruchám, vyznačují se robustností a spolehlivostí. PLC bývají vybavené vnitřními diagnostickými funkcemi, které průběžně kontrolují činnost systému a včas zjistí případnou závadu, lokalizují ji, bezpečně ji ošetří a usnadní její odstranění. Schéma výměny dat mezi PLC Tecomat a virtuálním modelem

11. Jen málo kdy se podaří, že první varianta řešení zůstane tou konečnou. Představy zadavatele, projektanta, programátora a koncového uživatele postupně zrají, průběžně vyvíjejí a rozšiřují. Při uvádění do provozu je třeba všechny funkce důkladně prověřit a odstranit mnohé chyby a slabá místa. Mnohé nedostatky zadání a zvoleného způsobu řešení se projeví právě v konečné fázi zakázky. V této fázi zakázky přicházejí poprvé do styku nejen samotní tvůrci nedokonalého zadání ale i noví lidé, kteří neměli k projektu přístup, nebo nebyli schopni domyslet detaily a souvislosti (technolog, operátor, správce počítačové sítě apod.) U řídicího systému s pevnou logikou je každá změna zdrojem problému. Při použití programovatelných automatu stačí mnohdy jen opravit, změnit nebo rozšířit uživatelský program. Pokud požadavky vyžadují použití nových vstupu a výstupu, můžeme vystačit s využitím existujících rezerv v konfiguraci. V opačném případě stačí doplnit potřebné moduly (např. další PLC jako podsystém), doplnit projekt a program a vše důkladně ověřit, otestovat, zdokumentovat a seznámit všechny se změnami a doplňky. Pracnost a rizikovost změn a doplňku v programu záleží především na jeho složitosti, kvalitě a přehlednosti, ale i na časovém odstupu od jeho vytvoření. V každém případě bývá pracnost a nákladnost změn v programu výrazně nižší, než při tradičním řešení s pevnou logikou. Konfigurace PLC Skutečnou sestavu volí uživatel tak, aby co nejlépe přizpůsobil svůj PLC požadavkům řešené úlohy. Konkrétně mohou některé typy modulu chybět, jiné se mnohonásobně opakují. V krajním případě muže být PLC vystavěn jako čistě binární (Iogický)systém, s výhradním použitím dvouhodnotových vstupu a výstupu, nebo naopak jako výhradně analogový (monitorovací systém). Mohou být sestavy čistě vstupní, kdy je PLC degradován na systém pro měření a předzpracování dat. PLC muže např. vyhodnocovat soubor analogových a binárních snímačů z monitorované technologie, analyzovat je nebo předávat nadřízenému PC. Obdobně muže být PLC v roli výstupního systému, např. jako ovládač svítících segmentových zobrazovačů, jako ovládač souboru pohonu nebo souboru elektrických spotřebičů a jiných akčních členu. Mohou být i aplikace PLC bez fyzických vstupu a výstupu, kdy PLC funguje jen jako inteligentní a programovatelný komunikační adaptér pro připojení cizího systému do sítě PLC, připojení operátorských panelu, snímače čárového kódu a jiných prvku. Konfigurace-prostorovéuspořádání, seskupení.

12. Mikro PLC Nejmenší a nejlevnější kompaktní PLC systémy (mikro PLC) obr. 1.5 nabízejí uživateli pevnou sestavu vstupu a výstupu, obvykle binárních např. 6 binárních vstupů/S binárních výstupu pro nejmenší systém, provětší systém pak sestavy 8/8, 12/12 apod. V tomto případě je možné se rozhodnout pro jeden typ systému, který není možný dodatečně rozšiřovat. Použitím programovatelných automatu nejnižší kategorie (mikro PLC) je realizace logické výbavy jednoduchých strojů a mechanismu, která se řešila pevnou reléovou logikou. Velkým rozdílem jsou ceny ovládacích prvku (relé, stykačů) a je zjevné, že použití PLC je účelné již u nejprostších aplikací, kde nahrazuje jen část relé. K základnímu modulu lze připojit jeden nebo několik přídavných modulu z omezeného sortimentu s pevnou kombinací vstupu a výstupu např. modul s 8 binárními vstupy a 8 binárními výstupy (tranzistorovými nebo reléovými), analogový vstupní nebo výstupní modul apod. Některé kompaktní systémy se navíc vyznačují ještě vnitřní modulárností, kdy konfiguraci základního modulu lze sestavit osazením základní desky zásuvnými moduly vhodného typu.

13. Kompaktní PLC Kompaktní PLC jsou přístroje vše v jednom, které se vyznačují již v základní výbavě množstvím hardwarových a softwarových funkcí a jsou vhodné pro mnoho případu použití z oblastí řízení, regulace a měření. Pokud integrované funkce nestačí, je možné přístroje lokálně nebo přes síť jednoduše rozšířit. Všechna řízení je možné zapojovat do sítě a programovat je přes provozní sběrnici. Sortiment se skládá: - kompaktní PLC - lokální rozšíření - decentralizované rozšíření Modulární PLC Nesrovnatelně větší volnost ve volbě konfigurace poskytují modulární programovatelné automaty. Např. pro TECOMAT NS-950 (obr. 1. 7) lze do jedné ze čtyř variant plochého zadního rámu zasouvat libovolné moduly (v počtu 4,6,8 a 11 modulu). U jiných variant muže být jeden systém tvořen několika rámy (základní a rozšiřovací moduly). Rozšiřovací moduly mohou být připojeny na vzdálenosti stovek metru. Místo rozšiřovacích modulu mohou být připojeny podsystémy tvořené kteroukoliv z variant horizontálního i vertikálního uspořádání komunikace mezi systémy.

14. Modulární PLC Tecomot NS-950 obr. 1.7 Binární vstupy a výstupy Všechny binární vstupy jsou galvanicky oddělené po 16 nebo 32 vstupech na modulu. Stejnosměrné vstupy jsou v rozsahu S, 12, 24 a 48V se společným vodičem pro napětí kladné nebo záporné polarity. Střídavé vstupy mají rozsah 24, 48, 115 a 230 V. Existuje i modul stejnosměrných vstupu v bezjiskrovém provedení. Je určen pro snímání hladiny s ponornými sondami. Rovněž všechny binární výstupy jsou galvanicky oddělené, v provedení relé a tranzistorů. Jsou řešeny pro stejnosměrné i střídavé napájení, y rozpětí od 24 do 250 V. Galvanické oddělení významně přispívá k potlačení průniku rušivých signálu do systému ze strany vstupních a výstupních svorek. Existuje i kombinovaný modul binárních vstupu a výstupu, který muže být využit na optimální doladění sestavy. Sortiment binárních vstupních a výstupních modulu pokrývá požadavky nejrůznější typu řízených objektu, snímačů a akčních členu, vychází vstříc potřebám a zvyklostem projektantu z různých oboru aplikací automatizační techniky.

15. Analogové moduly Analogové moduly vyhovují všem standardním požadavkům a dovoluje bezproblémové připojení běžně používaných snímačů a akčních členů. Univerzální analogový modul (obr. 1.8) prakticky dovoluje připojit libovolné typy snímačů a převodníku a měřit napěťové nebo proudové signály v širokém rozsahu hodnot. U specializovaných modulů pro určité typy čidel, např. termočlánky, odporové teploměry apod. je potlačena univerzálnost, ale jsou optimálně přizpůsobeny svému určení a poskytují tak levnější a kvalitnější řešení. Analogové moduly s galvanickým oddělením dovolují zvýšit odolnost systému proti rušení, v některých situacích jsou principiálně nenahraditelné. Některé analogové, univerzální a inteligentní moduly mají svou vnitřní modularitu a umožňují modifikovat svou funkcí a konfiguraci vhodným osazením zásuvných modulu a optimálně doladit sestavu bez nadbytečných rezerv. K dispozici jsou i přídavné multiplexní moduly, které zmnožují počty vstupu (prodlužují dobu měření).

16. Speciální a inteligentní moduly Komunikační moduly, adaptéry a modemy pro různá rozhraní a různých typu přenosu, jsou zde i přídavné paměťové moduly pro zálohování obsahu nebo rozšíření kapacity paměti pro uživatelský program. Existují i poněkud kuriózní moduly, které dodávají pro svůj kompaktní PLC i modul pneumatických výstupu, z něhož místo vodičů· vedou hadičky. Pneumatické ovládání má velký význam pro řadu technologií. Počítačový modul V počítačovém modulu kompatibilním s PC (obr. 2.0) lze se standardními počítačovými prostředky řešit úlohy, které nejsou pro PLC typické, např. složité rychlé výpočetní algoritmy, grafické a geometrické úlohy, zpracování a archivace velkého množství dat, databázové úlohy, výkonné komunikace, napojení PLC do počítačových sítí, využití standardních programovacích jazyku, využití standardních operačních systému, připojení standardních paměťových karet apod.

17. Komunikační možnosti Důležitou součástí PLC je schopnost komunikovat se vzdálenými moduly vstupu a výstupu, s podsystémy, se souřadnými i nadřízenými systémy, s operátorskými panely a s jinými inteligentními přístroji, s počítačem a jejich sítěmi a tak vytvářet distribuované systémy. Začlenění PLC do systému Na binární vstupy se připojují tlačítka, přepínače, koncové spínače a jiné spínače s dvouhodnotovým charakterem signálu (dotykové čidla, snímače teploty, tlaku nebo kapaliny). Binární výstupy, jsou určeny k buzení cívek relé, stykačů, elektromagnetických spojek,pneumatických a hydraulických převodníku, k ovládání signálek, k řízení frekvenčních měničů atd. Analogové vstupní a výstupní moduly zprostředkují kontakt programovatelného automatu se spojitým prostředím. K analogovým vstupům lze připojit např. snímače teploty, vlhkosti, tlaku síly, hladiny, rychlosti, ale i většinu inteligentních přístroj u s analogovými výstupy. Analogovými výstupy lze ovládat spojité servopohony a frekvenční měniče, ale třeba i ručkové měřicí přístroje a jiné spojitě ovládané členy. Rychlé čítače, odměřovací a polohovací moduly jsou určeny k měření a řízení polohy, k řízení dráhy a rychlosti pohyblivých části strojů, dopravních a manipulačních mechanismu.

18. Hardware řídicích systémů Pro automatizaci průmyslové výroby se užívá široké spektrum technických prostředků – od analogových regulátorů až k výkonným počítačovým systémům, obvykle je to však jejich kombinace. Vzhledem k počtu aplikací, mají programovatelné logické automaty (PLC – Programmable Logic Cotrollers), které se používají především na nižších úrovních řízení procesů. Jednotlivé stupně řízení ukazuje obr. 2.1. Na nejvyšší úrovni řízení se řeší rozhodování pro řízení a ekonomiku celého podniku. Střední úroveň (dohlížecí) tvoří propojení automatizačních systémů s vizualizačním a dohlížecím centrem velínu, který je obvykle umístěn mimo výrobní haly, odkud je dálkově v součinnosti s obsluhou (provozní směnou) dohlíženo na výrobní proces a obsluha může rozhodovat podle aktuálního stavu výrobního procesu o výběru kontrolních a zásahových prací během výrobního procesu. Při těchto zásahů se řeší i ošetření nestandardních stavů i havarijních situací. Na jiné úrovni řízení, tj. ve výrobních halách a na výrobních linkách působí systém PLC, jehož jednotlivé moduly přeměňují instrukce ze střední úrovně řízení na logické nebo analogové signály (při dvouhodnotovém řízení akčních členů, např. převodník pro ovládání analogového regulačního členu atd.) Složitější operace z instrukcí přijímaných ze středního stupně řízení se na výrobních linkách provádí nezávisle prostřednictvím příslušných modulů – nezávislých regulátorů vybavených obvykle sekvenční logikou (rozběhové regulátory,frekvenční měniče atd.) Tři úrovně řízení technologického procesu obr. 2.1

19. Takový proces řízení přispívá k vyšší bezpečnosti, protože snadněji odolává poruchám a řídicí systém dodávaný do nejnižší úrovně řízení se jako jednoduchá instrukce redukuje objemem přenášených dat. To je důležité zejména při řízení rozšířených výrobních procesu např. v chemickém průmyslu. Názorný příklad výrobního procesu a schéma PLC je na obr. 2.2 Výrobní proces a schéma PLC obr. 2.2 Programování PLC Centrální jednotka Poskytuje programovatelnému automatu inteligenci. Realizuje soubor instrukcí a systémových služeb, zajišťuje základní komunikační funkce s vlastními i vzdálenými moduly, s nadřízeným systémem a s programovacím přístrojem. Paměťový prostor je rozdělen na dvě části. První je určena pro uložení uživatelského programu (PLC programu), datových bloku a tabulek. Druhá část je operační zápisník. Jsou V ní uživatelské registry, čítače a časovače, obrazy vstupu a výstupu, komunikační, časové a jiné systémové registry.

20. Centrální jednotky obsahují mikroprocesor, mikrořadič nebo specializovaný řadič, zaměřený na rychlé provádění instrukcí. Jeho systémovým programem jsou realizovány všechny funkce, které má uživatel k dispozici, tj. soubor instrukcí PLC, systémové služby, časové a komunikační funkce. Jen výjimečně zpřístupňují některé PLC uživatelům programování na úrovni instrukcí mikroprocesoru. Typické je použití instrukcí a příkazu jazyka PLC, který je přizpůsoben převažujícím úlohám a způsobu myšlení typického uživatele a programátora PLC. Soubor instrukcí PLC V souboru instrukcí PLC jsou instrukce pro aritmetiku a operace s čísly (sčítání, odčítání, porovnání, výpočty s pevnou nebo plovoucí řádovou čárkou), logické instrukce s číselnými operandy (paralelní operace s operandem v délce byte), a přenosy dat. Obvyklé jsou instrukce pro organizaci programu např. skoky v programu, volání podprogramu a návraty apod. Specializované instrukce Jsou to výkonné instrukce pro komplexní operace, např. pro realizaci regulátoru a jejich automatické seřizování, pro fuzzy logiku a fuzzy regulaci, pro operace s daty, pro realizaci funkčních bloku, pro ukládání dat do záznarnniků a zásobníku a pro podporu komunikací. Tyto specializované instrukce usnadňují programování a zvyšují výpočetní výkon PLC. Fuzzy logika-je to obor inteligentních systému, který muže být použit jako programování logických úloh (logického myšlení "ano, ano-ne, ne!") v PLC, ale i v PC, v mikroprocesorech a mokrořadičích. Systémové služby Jsou služby, které centrální PLC poskytuje instrukce např. soubor systémových registru, které obsahuje systémový program. Další slouží pro ovládání komunikací, pro aktivaci uživatelských procesu, pro zobrazení chyb a dalších údajů. Mezi systémové služby počítáme i systémovou podporu komunikací, obsluha inteligentních modulu (systémových i periferních), obsloužení čítačů a časovačů, multiprogramování a přerušení programu.

21. Výkonnost PLC Posuzuje se podle doby vykonání instrukcí. Obvyklé hodnoty pro výkonné systémy jsou v řádu jednotek mikrosekund na instrukci. U malých systému bývají časy řádově desítky mikrosekund na instrukci. Časové údaje odpovídají obvykle jen nejzákladnějším logickým instrukcím. Doby ostatních instrukcí bývají mnoho násobně delší. Výkonnost PLC zvyšují instrukce, kteří realizují komplexní funkční bloky (řadiče, aritmetické knihovny, fuzzy regulátor, generátor funkcí) nebo dovolují efektivní zpracování souboru dat a datových struktur. Významnou pomoc přestavují systémové služby. Odezvu systému na kritické události zkracuje i možnost přerušení a multiprogramování. Výkonnost PLC se doporučuje posuzovat podle výsledku řešení reálných příkladu, kvalifikovaným programátorem a nikoliv podle katalogových údajů, Vykonávání programu PLC Uživatelský program Program PLC je posloupnost instrukcí a příkazu jazyka. Typickým režimem je cyklus vykonávání v programu. Na rozdíl od jiných programovatelných systému se programátor PLC nemusí starat o to, aby po konci programu vrátil jeho vykonávání opět na začátek, zajistí to systémový program. Vždy po vykonání poslední instrukce uživatelského programu je předáno řízení systémovému programu, který provede tzv. otočku cyklu. Nejprve aktualizuje hodnoty vstupu a výstupu, hodnoty výstupu přepíše do registru výstupních periferních modulu a hodnoty ze vstupních modulu okopíruje do paměťových obrazu vstupu, aktualizuje časové údaje pro časovače a systémové registry, ošetří komunikaci a provede řadu dalších režijních úkonu. Po otočce cyklu je opět předáno řízení prvé instrukci uživatelského programu.

22. Obrazy vstupu a výstupů Pro program PLC je typické, že nepracuje s aktuálními hodnotami vstupu a výstupu, ale s jejich obrazy vstupu a výstupu, uloženými v zápisníkové paměti. Aktualizace jejich hodnot - předání obrazu výstupu k řízenému objektu a sejmutí aktuálních vstupních hodnot od řízeného objektu se provede pouze ve fázi otočky cyklu. Tím je zajištěna synchronizace vstupních a výstupních dat s během programu a je tak omezena možnost chyb způsobených nevhodným souběhem měnících se hodnot. Podobně jsou po dobu cyklu zmraženy i časové údaje a hodnoty většiny systémových proměnných (například zpráv předávaných sériovou komunikací). Synchronizace-uvedenínějaké činnosti v časový soulad s jinou činností (změna kmitočtu). Programovací jazyky PLC K programování nabízejí PLC systémy specializované jazyky, původně navržené pro snadnou, názornou a účinnou realizaci logických funkcí. Jazyky systém různých výrobců jsou podobné, nikoliv však stejné. Přenositelnost program mezi PLC různých výrobců není možná, daří se to obvykle jen mezi systémy téhož výrobce. Mezinárodní norma IEC 1131-3 sjednocuje programovací jazyky pro PLC. Podle této normy jsou čtyři typy jazyku. Rozdělení programovacích jazyků: -textové jazyky -grafické jazyky Jazyk mnemokódů Je u počítačů strojově orientován tzn., že ke každé instrukci PLC systému odpovídá stejně pojmenovaný příkaz jazyka. V našich podmínkách je tento jazyk poměrně často používán, zejména profesionálními programátory, dovoluje nejlépe přizpůsobit úlohu možnostem PLC a vy těžit maximum z jeho instrukčního souboru. Jazyk kontaktních reléových schémat Je grafický. Program se zobrazuje ve formě obvyklé pro kreslení schémat při práci s reléovými a kontaktními prvky. Tento jazyk je výhodný při programování nejjednodušších logických operací. Je nezastupitelný s ohledem na rychlý servis.

23. Jazyk logických schémat Je opět grafický. Základní logické operace popisuje obdélníkovými značkami. Vychází vstříc uživatelům zvyklým na kreslení logických schémat (integrované obvody). Obdobný, ale obecnější se využívá při popisu programování systému, zpracovávající analogové proměnné, při programování regulačních a měřících úloh např. jazyk Merkur. Jazyk strukturovaného textu Je obdobou vyšších programovacích jazyku pro PC. Nadstavbou nad popsanými jazyky tvoří grafický jazyk SFC, GRAFCET. Dovoluje stavový popis sekvenčních úloh v symbolice přechodového grafu konečných automatu a určité třídy. Jazyk sekvenčního programování je velmi názorný a podporuje systémový přístup k programování. Struktura PLC Bloková struktura programovatelného automatu je znázorněna na obrázku 2.4. Základem PLC jsou v principu tři funkční bloky: zpracování informace, vstupy/výstupy a paměť. Bloková struktura programovatelného automatu obr. 2.4

24. Programovací a vývojové prostředky K zadání a k ladění uživatelského programu slouží programovací přístroje. V současné době se pro komfortní programování používají počítače stolní i přenosné s potřebným programovým vybavením pro vývoj a ladění uživatelských programu. Programovací přístroje umožňují zápis programu, jeho opravy, překlad ze zdrojové formy do kódu PLC, jeho přenos do PLC a ladění programu s reálným PLC (on line), včetně monitorování proměnných programu a technologických proměnných, krokování a trasování programu, s možností zobrazovat a měnit stavy aktuálních proměnných. Některé vývojové systémy dovolují i přenos programu z PLC do programovacího přístroje a jeho zpětné přeložení. Významnou funkcí je i možnost zpracování dokumentace programu, případně celého projektu. Programovací přístroje a vývojové systémy se kromě souboru funkcí liší i svou přívětivostí a logickou uceleností obsluhy, způsobem dialogu, ztrátovými časy a mírou stresu, kterými zatěžují programátora. ¨ Struktura paměti a registrů Řídící posloupnost konečného počtu kroku vedoucí k vyřešení úlohy programovatelného automatu je zapsán jako posloupnost instrukcí v paměti uživatelského programu. Centrální jednotka postupně čte z této paměti jednotlivé instrukce, provádí příslušné operace s daty v zápisníkové paměti a zásobníku, případně provádí přechody v posloupnosti instrukcí, je-Ii instrukce ze skupiny organizačních instrukcí. Jsou-Ii provedeny všechny instrukce požadované posloupnosti, provádí centrální jednotka aktualizaci výstupních proměnných do výstupních periferních jednotek a aktualizuje stavy ze vstupních periferních jednotek do zápisníkové paměti. Tento děj se stále opakuje a nazýváme jej cyklem programu. ¨ Struktura zápisníkové paměti Zápisníkem nebo též zápisníkovou pamětí rozumíme úsek paměťového prostoru PLC, který je přístupný jak pro čtení, tak i pro zápis uživatelských dat. Instrukce PLC umožňují přístup na libovolný bit, byte. Tato paměť je předem rozdělena do několika částí s vyhrazeným významem.

25. Zápisníková paměť je rozdělena na tyto části: - obrazy vstupních signál X - obrazy výstupních signál Y - systémové registry S - uživatelské registry R Všeobecně je dodržována zásada, že přístup systémového programu k zápisníkové paměti se uskutečňuje výhradně ve fázi otáčky cyklu uživatelského programu. To se týká nejenom snímání fyzických vstupu do sekce X a nastavování hodnot ze sekce Y na fyzické výstupy, ale i změn hodnot systémových proměnných S. To znamená, že po dobu cyklu uživatelského programu jsou údaje zápisníku zmraženy a aktualizují se až po nejbližší otočce cyklu. Tím je výrazně omezena možnost výskytu různých hazardních stavu v uživatelském programu v důsledku asynchronnosti okamžiku změn jednotlivých proměnných. ¨ Obrazy vstupůX Před každým začátkem cyklu programu zajišťuje centrální jednotka aktualizaci této zápisníkové paměti ze vstupních jednotek na základní tabulku zadané v uživatelském programu, která popisuje přiřazení mezi obrazy vstup X a fyzickými adresami jednotlivých jednotek. Obrazy výstupů Y Po každém ukončení cyklu programu zajišťuje centrální jednotka přesun výsledku ze zápisníkové paměti ze vstupních jednotek na základní tabulky zadané v uživatelském programu, která popisuje přiřazení mezi obrazy vstup X a fyzickými adresami jednotlivých jednotek. Systémové registry S Tato oblast zápisníkové paměti je vyhrazena pro specifické použití systémovým programem automatu a nedoporučuje se ji používat pro jiný účel. Některé bity a slova jsou pravidelně v otočce cyklu nastavovány systémovým programem a jsou vhodné pouze pro čtení. Některé bity naopak modifikují svým nastavením chování systémového programu. Uživatelské registry R Paměťová oblast určená pro proměnné uživatelského programu, pro realizaci čítačů, časovačů, posuvných registru, stepperů a dynamických tabulek. V zapínací sekvenci systémového programu po studeném restartu jsou všechny registry R vynulovány. Po teplém restartu je uchována část registru R, ostatní jsou vynulovány.

26. Logické funkce Funkce elektrického obvodu je určena fyzikálními veličinami, jako je napětí, proud, odpor apod. Některé z těchto veličin jsou vstupní nebo výstupní. Logický obvod je druh fyzikálního systému, ve kterém vstupní a výstupní veličiny nabývají v ustáleném stavu pouze dvou hodnot (logický signál, logický člen. Činnost logických obvodu popisuje "logická (booleova) algebra", která vychází z výrokové logiky. Pravdivý výrok má hodnotu 1, nepravdivý výrok má hodnotu O. Výrok je tvrzení, které muže být pravdivé nebo nepravdivé např. výrok země se otáčí kolem své osy"- pravdivý výrok nebo 2+3=4 - nepravdivý výrok. "Jaká je venkovní teplota?" - není výrok! Logická proměnná je pravdivost nebo nepravdivost nějakého výroku. Logická funkce je potom přiřazení mezi závislými (výstupními) a nezávislými (vstupními)logickými proměnnými. Logické řízení (příklad) Razící stroj se skládá z razícího válce a vykazovacího válce. Dále pak ze senzoru S1, který kontroluje přítomnost ražené součásti pod razícím válcem a ze senzoru S2, který kontroluje správnou polohu součásti. V případě že poloha součásti bude opačná než ostatní součásti, vykazovací válec ji vyhodí do zásobníku. Tento automat se bude řídit pomocí logických prvku.

27. Hlavní prvky programovatelného automatu Binární vstupy - zde se připojují tlačítka, přepínače, koncové spínače a jiné snímače s dvouhodnotovým charakterem signálu (např. dvouhodnotové snímače tlaku, teploty nebo hladiny). Binární výstupy - jsou určeny k buzení cívek relé, stvkačů, elektromagnetických spojek, pneumatických a hydraulických převodníku, k ovládání signálek, ale i ke stupňovitému řízení pohonu a frekvenčních měničů. Analogové vstupní a výstupní moduly zprostředkují kontakt programovatelného automatu s prostředím. Analogové vstupy - zde se připojují například snímače teploty (obvykle odporové, polovodičové nebo termočlánky), snímače tlaku, vlhkosti, hladiny ale i většinu inteligentních přístrojů s analogovými výstupy. Analogové výstupy - pomocí těchto výstupu lze ovládat spojité servopohony a frekvenční měniče, ale třeba i ručkové měřicí přístroje a jiné spojitě ovládané akční členy. Centrální procesorová jednotka - dává programovatelnému automatu inteligenci. Realizuje soubor instrukcí a systémových služeb, zajišťuje i základní komunikační funkce s vlastními i vzdálenými moduly, s nadřízeným systémem a s programovacím přístrojem. Obsahuje mikroprocesor a řadič, zaměřený na rychlé provádění instrukcí. Paměť - zde jsou uloženy uživatelské registry, čítače a časovače, komunikační, časové a jiné systémové proměnné. Taktéž slouží pro uložení uživatelského programu. Na rozdíl od počítače si PLC při poruše řídicího systému musí zapamatovat poslední stav, od něhož po obnovení funkce pokračuje dál v činnosti, což klade nároky na velký objem paměti.

28. Základní pojmy Logická proměnná - je veličina, která nabývá dvou hodnot log ° a log 1 (0,1). Řídicí systém (PLC) rozlišuje vstupní, výstupní a vnitřní proměnné. Logický signál (binární) - je fyzikální veličina, využívaná jako fyzikální nosič logické proměnné (kontakt sepnut-rozepnut, svítí-nesvítí, proudí- neproudí). Bit - obsah logické proměnné, je to nejmenší myslitelné množství informace (vektor). Byte, word, long, nibble - je to zpracování dat v číslicovém systému převzato z angličtiny, nibble (vektor v délce 4 bity), byte (vektor v délce 8 bitu), word (16 bitu), long (4 byty). Logický vektor - je to soubor vstupních, výstupních a stavových vektoru. Logická funkce - je to předpis který k hodnotám souboru hodnot vstupních logických proměnných přiřazuje hodnotu výstupních logické proměnné. Základní funkce jsou - opakování YES. - logický součin AND. - logický součet OR. - negace NOT. Vektorová logická funkce - je předpis, který k hodnotám vstupního vektoru přiřazuje hodnoty výstupního vektoru. Kombinační logická funkce - je to jednoznačný předpis, který nezávisí na čase, na stavu systému ani na sledu hodnot vstupního vektoru. Sekvenční logická funkce - je to předpis, který se mění s časem nebo vývojem a se změnou stavu systému v závislosti na pořadí hodnot vstupního vektoru. Výrok - je to tvrzení, jež má smysl posuzovat pravdivost (pravda, nepravda). Třetí možnost neexistuje. Jednoduchý výrok - je to vstupní logická proměnná např. tlačítko "start" lze chápat jako výrok tlačítko "start" je stisknuto. Složený výrok - je to výstupní logická proměnná např. .nen! pravda, že hladina> O,5 m". Booleova algebra - výroková (booleova) algebra dovoluje popsat libovolně složitý výraz s použitím spojek "a", "nebo", "ne" apod. Existují i jiné logické algebry, které používají jiný soubor operací. Logický výraz (booleovský) - předpis pro vyčíslení hodnoty logické funkce valgebraické formě např. motor=(start_1AND(NOTstop_1))OR kontakt_05.

29. Základní požadavky na logické automaty • Robustnost - PLC jsou proto konstruovány tak, aby mohly pracovat i v nejobtížnějších provozních podmínkách v těsné návaznosti na řízenou technologii, což klade vysoké nároky na jejich odolnost vůčí vlivům prostředí (teplota, vlhkost, prašnost, otřesy). Zvláštní důraz je kladen na velkou odolnost proti rušení. • Programování - Nastavení základního programu umožňuje často "programovací panel" připojitelný k základnímu řídícímu bloku. • Rychlost - PLC jsou speciálně konstruovány pro řešení především logických úloh a tím jsou pro tyto aplikace rychlejší než řídicí počítače. • Architektura modularita PLC spolu s požadavkem komunikace s měřicími a akčními členy vyžaduje sběrnicové provedení PLC. • Diagnostika - pokud se navzdory robustnosti vyskytne závada, je zde požadavek na její rychlé odstranění. Některé systémy mají samotestovací diagnostiku i možnost rychlého grafického znázornění pochodu v řízené technologii. Důležité funkční prvky PLC • Časovače - odměřují délku časových intervalu; spouštějí a zastavují se binárním signálem, výstup, výstup binární. • Čítače - počítají vstupní pulsy nebo vysílají pulsy na výstup; ovládají se binárním signálem, výstup binární. • Sekvenční registry posloupnost bitu (každý je adresovatelný), vložení binární informace na výstup způsobí posun celé posloupnosti, obsah posledního bitu se ztrácí (dávají možnost vložit informaci a po určitém počtu kroku ji zase vyjmout a zpracovat) .

30. Závěr S aplikacemi PLC se dnes setkáváme snad ve všech oborech např. ve strojírenství (při řízení strojů, mechanismu, linek a nejrůznějších výrobních technologií, v manipulační, dopravní a skladové technice), v energetice (regulace turbín, vodních a větrných elektráren, solárních zdrojů, výměníkové stanice, kotelny, klimatizační jednotky atd.), v ekologii, v zemědělství, v potravinářství, v chemii a farmacii, ve školství a kultuře,v procesu měření, dálkového ovládání, monitorování a sledování kvality. Toto téma jsme si vybrali proto, že také úzce souvisí s naším oborem Mechanik seřizovač – mechatronik, neboť programovatelných automatů se také využívá v CNC obráběcích strojích, konkrétně u pomocných funkcí M, kdy programovatelný automat zajišťuje, že se u CNC frézky vymění nástroj až tehdy, kdy je vřeteno stroje zastavené.

31. Použitá literatura: ŠMEJKAL L., MARTINÁSKOVÁ M.,- PLC a automatizace 1. díl- základní pojmy, úvod do programování, BEN-tech. lit., Praha 1999, ISBN-978-80-86056-58-6. ŠMEJKAL L., - PLC a automatizace 2. díl - sekvenční logické systémy a základy fuzzy logiky, BEN - tech. lit., Praha 2005, ISBN-80-7300-087-3. www.stech.cz www.aef-hitachi.cz www.moeller.cz www.fatek.seapraha.cz http://e-automatizace.vsb.cz