PLC -programovatelné automaty

1. PLC -programovatelné automaty

2. Různá označení pro PLC • PLC - Programmable Logic Controller • PC - Programmmable Controller • SPS - Speicher Programmierbare Steuerung • FPC - Free Programmable Controller • PA - Programovatelný automat • špatné překlady: kontrolér, řadič, regulátor,….

3. Počítačem řízená výroba a PLC Plánování výrobních (podnikových) zdrojů 4. MRP/ERP Řízení/sledování výroby 3. MES Řízení/sledování výrobní buňky 2. Supervize(SCADA) Řízení stroje/zařízení „Pole“ - polní instrumentace (senzory, aktory, speciální měřicí přístroje) Přímé řízení (PLC, DCS, RTU, CNC, iPC aj.) 1. ……... …. Technologický proces ( TP )

4. Počítačem řízená výroba -základní zkratky • CIM - Computer Intregrated Manufacturing • DCS - Digital Control System • RTU - Real Time Unit • CNC - Computer Numeric Control • SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition • MES - Manufacturing Execution System • MRP/ERP - Manufacturing/Enterprice Resource System

5. Vznik PLC • 1968 - inženýři v automobilce General Motors hledali alternativní řešení ke komplexním elektromechanickým (reléovým) řídicím systémům nevýhody reléového řízení: • pevné propojení • obtížná změna řídicí funkce • nákladné uvádění do provozu a údržba

6. Požadavky na nový řídicí systém • jednoduché programování • změny programu beze změn v zapojení • menší, levnější a spolehlivější než odpovídající reléové řízení • jednoduché uvádění do provozu • jednoduchá a levná údržba

7. První PLC (sedmdesátá léta) • jednoduchý systém umožňující připojení a zpracovávání binárních signálů • pouze logické operace • jednobitový procesor • programování v grafickém jazyku podobném reléovým schématům zapojení (rekvalifikace dělníků)

8. PLC dnes • průmyslový mikropočítač přizpůsobený nasazení v podmínkách průmyslové výroby • odolný proti rázům, prachu, výkyvům teplot,vlhkosti, elekrickému i elekromagnetickému rušení • klíčový prvek průmyslové automatizace

9. Definice PLC podle IEC 1131-1 Programovatelný logický automat (PLC) je číslicový elektronický systém navržený pro použití v průmyslovém prostředí, který používá programovatelnou paměť pro uložení uživatelsky orientovaných instrukcí sloužících k implementaci specifických funkcí, jako jsou logické funkce, funkce pro vytváření sekvencí, funkce pro časování, funkce pro čítání a funkce pro aritmetické výpočty, a to za účelem řízení různých typů výrobních strojů a procesů pomocí číslicových a analogovýchvstupů a výstupů

10. Třídění PLC Hlediska : • velikost (počet I/O) • provedení • počet procesorů

11. Typy PLC - podle provedení • kompaktní - vše v jednom pouzdře • modulární- různé typy modularity • samostatné moduly • zásuvné karty v různých velikostech • se zabudovaným operátorským panelem (tzv. OPLC), někdy též „pracovní stanice“(např. Teco: TECOMAT TC500, Siemens: SIMATIC C7)

12. Typy PLC - podle velikosti I • mikro PLC - (někdy název programovatelná relé) do 20 I/O, malá paměť, bez možnosti komunikace (např. Siemens: LOGO!, Mitsubishi: ALFA, Moeller: EASY) • malá PLC (někdy označení mikro) - do 128 I/O, některá velmi výkonná i s možností komunikace (např. Festo: FEC20, FEC30, Siemens: S7-200, Teco: TECOMAT TC600 )

13. Typy PLC -podle velikosti II • střední výkonnostní třída - 128 až 512 I/O modulární provedení (např. Siemens SIMATIC S7-300, Festo FPC 404) • nejvyšší výkonnostní třída - až tisíce I/O, vždy modulární provedení, velký formát karet (např. Festo FPC 405, Siemens SIMATIC S7-400) • trend: distribuované systémy řízení

14. Typy PLC-podle počtu procesorů • Jednoprocesorová - některá mohou umožňovat i multitasking (kvaziparalelní běh několika procesů) • Víceprocesorová - většina modulárních PLC (komunikační a speciální moduly mají většinou vlastní procesor) - je možný multiprocessing (paralelní běh několika procesů), např. FESTO FPC 404

15. Aplikační oblasti PLC Podle časopisu Control Engineering : • 87 % pro řízení strojů • 58 % pro řízení procesů • 40 % pro řízení pohybů velká aplikační oblast budoucnosti: • řízení budov

16. PLC hardware Obvyklá výstavba kompaktních a modulárních PLC a související problematika

17. Kompaktní PLC - uživatelský pohled Ovládací prvky (RUN, STOP) a seřizovací prvky (trimmer) Pouzdro LED-vstupy Diagnostika chodu Vstupy LED-výstupy Výstupy Komunikačníkanály

18. Pouzdro Kompaktní PLC: • pouzdro, kazeta, vana • montáž na lištu DIN do rozvaděče • svorkovnice • rozšíření pomocí kompaktních rozšiřujících modulů

19. Modulární PLC - uživatelský pohled - tzv. konfigurace Modul napájení Modul CPU Signálové moduly(binární, analogové) Základní rám Expanzní (propojovací) moduly Rozšiřující rám Signálové moduly Komunikační moduly Speciální moduly

20. Základní a rozšiřující rám Modulární PLC: • rám, nosná deska, lišta • systémová a napájecí sběrnice • zásuvné moduly (periferní jednotky) • rozšiřující rám • expanzní moduly (umožňují propojení základního a rozšiřujícího rámu) • různé šířky rámů (11“,13“,15“,19“)

21. Zdroj • nejčastěji 24 V DC nebo 230 V AC • buď integrován v modulu CPU • nebo v samostatném modulu • řada modulů zdrojů s různými výkony (podle potřeby dalších periferních jednotek) pozor na správnou konfiguraci! (vyspělá programovací prostředí podporují správný výběr zdrojového modulu )

22. Centrální procesorová jednotka - -CPU (Central Processor Unit) • jádro PLC určující výkonnost • jednoprocesorová i víceprocesorová (matematické koprocesory, komunikační procesory, vstupně-výstupní procesory) • operační rychlost posuzována podle doby cyklu (doba zpracování 1000 logických instrukcí) … 10-1 až 101 milisekund • různá CPU pro daný typ automatu (rychlost, oper. paměť, cena)

23. Cyklické vykonávání programu 1. Čtení vstupů 2. Zpracování programu 4. 1. 3. 3. Vysílání výstupů 4. Režie systému (aktualizace systémových proměnných, komunikace) 2. 1+2+3+4=“scan”, smyčka, cyklus

24. Pozor při programování! • reakční doba na změnu hodnoty senzoru až dvojnásobek doby pro vykonání cyklu - může být problém u časově kritických úloh • záleží na pořadí instrukcí nad stejnými proměnnými - na výstup se posílá vždy naposledy zpracovaná proměnná (viz skriptum Řízení programovatelnými automaty II)

25. Senzor Cesta I/O signálů v PLC Input Image (obraz vstupů) Input Modul Program pro PLC Output Image (obraz výstupů) Output Modul Aktor

26. CPU - paměťový prostor • Systémová paměť - systémový program, (operační systém) - EPROM • Paměť dat - systémové registry, uživatelské registry, zápisníkové registry ( merkery, flagy), čítače, časovače, vyrovnávací registry pro obrazy vstupů a výstupů (Input Image, Output Image) - RAM (RWM) • Uživatelská paměť- uživatelský program (soubor tzv. procesů) - EPROM (EEPROM)

27. Moduly binárních (digitálních) vstupů - DI-princip Detekce chybného napětí Zpoždění signálu(filtrace) Optočlen (fotodioda + fototranzistor) Galvanické oddělení Vstupní signálz TP Signál přicházející do CPU Signalizace (LED)

28. Moduly binárních (digitálních) vstupů - DI - typy • stejnosměrné: 5V, 12V,24V,48V • střídavé: 24V,48V, 115V,230V • uspořádání do skupin po 4, 8, 16, 32 • společný vodič pro napětí kladné resp. záporné polarity (pro senzory s výstupním tranzistorem typu PNP resp. NPN)

29. Moduly binárních (digitálních) výstupů -DO-princip Optočlen (fotodioda + fototranzistor) Zesílení signálu Ochrana před zkratem Galvanické oddělení Signál přicházející od CPU Výstupní signáldo TP Signalizace (LED)

30. Moduly binárních (digitálních) výstupů - DO - typy • pro stejnosměrné spínané napětí se spínacími prvky tranzistorovými typu NPN i PNP: 24V,48V • pro střídavé spínané napětí : 24 až 250V AC,24 až 48V AC, 115V až 230V AC se spínacími jednotkami triakovými • pro stejnosměrné i střídavé napětí (do 250 V AC/ 60V DC) se spínacími prvky reléovými

31. Kombinované moduly binárních vstupů a výstupů • pro doladění konfigurace potřebám aplikační úlohy • někdy možno nakonfigurovat které z konkrétních připojovacích míst bude vstupní a které výstupní ( např. FESTO FEC 34)

32. Analogové vstupní moduly (AI) • např. pro připojení senzorů teploty, vlhkosti, tlaku, hladiny, síly, polohy, rychlosti • důležitá část: A/D převodník (šířka 8 nebo 12 bitů) - přesnost převodu • některé s galvanickým oddělením • specializované typy (pro termočlánky či odporové teploměry)

33. Analogové výstupní moduly (AO) • pro ovládání akčních členů či zařízení se spojitým vstupním signálem - např. servopohony, frekvenční měniče, ručkové měřicí přístroje … • D/A převodník (8 nebo 12 bitů) • napěťové • proudové - aktivní - akční člen napájen přímo z automatu, omezen jeho max. odpor - pasivní- akční člen musí mít vlastní zdroj proudu

34. Čítačové moduly pro čítání pulsů s periodou srovnatelnou či kratší než je doba vykonání jednoho „scanu“ (f až 102 kHz) • universální • pro inkrementální snímače polohy • pro absolutní snímače polohy • někdy jeden až dva rychlé (čítačové ) vstupy i u menších kompaktních PLC

35. Polohovací moduly • pro snímání polohy a řízení jedné či dvou souvislých os • pro řízení pohybu po naprogramované dráze • parametry (polohy, rychlosti, zrychlení) zadávány z CPU • výpočty prováděny v polohovací jednotce

36. Speciální moduly • moduly regulátorů • moduly pro aplikaci fuzzy logiky a fuzzy regulace • moduly pneumatických výstupů • modul pro vstup z CCD kamery ….. • ??????

37. Komunikační moduly pro komunikaci s podřízenými, souřadnými i nadřízenými systémy např. • inteligentními senzory a akčními členy • vzdálenými moduly vstupů a výstupů • operátorskými panely • dalšími PLC • PC vytváření distribuovaných systémů řízení

38. PLC -SW vybavení Systémové programové vybavení Uživatelské programové vybavení

39. Systémové programové vybavení I • Systémový program (operační systém - OS) HW závislý - každý výrobce jiný systém • jednoúlohové zpracovávání uživatelského programu bez přerušení • víceúlohové zpracovávání (multitasking) na jednom procesoru příp. i s přerušením • víceúlohové zpracovávání (multitasking) na více procesorech včetně přerušení

40. Systémové programové vybavení II Pro správné využití možností určitého OS nutno dodržovat specifická pravidla, např. : • pro vzájemné spouštění a odstavování programů (procesů,úloh) • pro předávání dat Každý OS poskytuje pro použití v uživatelských programech soubor tzv. systémových služeb

41. Systémové programové vybavení Tecomatů I • multitasking s přerušením • umožněno speciální konstrukcí uživatelského programu - skládá se z řady uživatelských procesů • jejich provádění v dané smyčce podmíněno předdefinovanou logikou • aktivaci jednotlivých procesů řídí OS

42. Systémové programové vybavení Tecomatů II • proces zařazen do struktury, pokud je naprogramován • použijeme-li jen P0 - klasický jednoúlohový systém • při vstupu do řešení kteréhokoliv z procesů P0 až P40, P62, P63, P64 je aktivní uživatelský zásobník vynulován

43. Spolupráce procesů a OS u Tecomatů Zapnutí Reset OS Zapínací sekvence Testy systému Inicializace UP Otočka cyklu vyslání Y, sejmutí X aktualizace S komunikace

44. P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 Restart? ano ne Teplý? ne ano P0 P63 P62

45. S25.1 P10 S25.2 P11 P60 Násilný konec cyklu S28.7 EOC P40 P64

46. Ošetření závažné chyby Závažná chyba Odpojení výstupů Sepnutí kontaktu ERR havarijního relé Signalizace chyby Komunikace s PC Čekání na restart Zapnutí

47. čas vstup chyba P41 P42 P43 návrat Ošetření přerušení

48. Uživatelské procesy programové smyčky - I Základní charakteristiky procesů: • pořadí aktivace ve smyčce • označení • přiřazení ke skupině procesů • funkce • podmínka aktivace

49. Uživatelské procesy programové smyčky -II 1. • P0 • základní proces (úvodní proces) • vždy, kromě restartu s P62 nebo P63 • pozn. v tomto procesu může být naprogramována v krajním případě i celá aplikace

50. Uživatelské procesy programové smyčky - III 2. • P1, P2, P3, P4 • čtyřfázově aktivované procesy: • oddělení činností, u kterých není žádoucí souběh • zkrácení doby cyklu rozdělením uživatelského programu do těchto procesů • cyklicky se střídají