Systemy wbudowane

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 • 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

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

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

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 – 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 TRT = TID + TIT + rTSC + TUT + TQT + TQD

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 • 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-bitowych 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!

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

Systemy wbudowane