STEROWNIKI wykład monograficzny Jerzy Kasprzyk

Transkrypt

1 STEROWNIKI wykład monograficzny Jerzy Kasprzyk Literatura: 1. Kasprzyk J.: Programowanie sterowników przemysłowych. WNT, Warszawa, Legierski T., Kasprzyk J., Wyrwał J., Hajda J.: Programowanie Sterowników PLC. Wyd. Pracowni Komputerowej J. Skalmierskiego, Gliwice, Jakuszewski R.: Programowanie Systemów SCADA. Intellution FIX32. Wyd. Pracowni Komputerowej J. Skalmierskiego, Gliwice,

2 1. WPROWADZENIE Hierarchiczna struktura systemu sterowania i zarządzania: warstwa czujników i elementów wykonawczych (w tym rozproszone systemy we/wy, urządzenia inteligentne) interfejs z procesem, warstwa sterowania bezpośredniego (sterowanie napędami, układy regulacji itd.) sterowniki programowalne (PLC), warstwa sterowania nadrzędnego i operatorskiego systemy SCADA na komputerach PC, urządzenia interfejsu operatora (MMI), warstwa zarządzania (sterowanie produkcją, zasobami, bazy danych, harmonogramowanie itp.). Hierarchia sieci LAN: od sieci polowych (fieldbus) i przemysłowych po Ethernet (także Internet) Kierunek rozwoju: Totally Integrated Automation, Totally Distributed Control: 2

3 1.1 Sterowniki programowalne PLC Sterowniki programowalne (PLC, ang. Programmable Logic Controllers) są komputerami przemysłowymi, które pod kontrolą systemu operacyjnego czasu rzeczywistego: zbierają pomiary za pośrednictwem modułów wejściowych z cyfrowych i analogowych czujników oraz urządzeń pomiarowych; korzystając z uzyskanych danych o sterowanym procesie lub maszynie wykonują programy użytkownika, zawierające zakodowane algorytmy sterowania i przetwarzania danych; generują sygnały sterujące odpowiednie do wyników obliczeń tych programów i przekazują je poprzez moduły wyjściowe do elementów i urządzeń wykonawczych; a ponadto mają możliwość: transmitowania danych za pomocą modułów i łączy komunikacyjnych; realizacji funkcji diagnostyki programowej i sprzętowej. Wartości pomiarów zmiennych procesowych stanowią wejścia sterownika, zaś obliczone zmienne sterujące są jego wyjściami. Norma IEC określa sterownik programowalny jako: cyfrowy system elektroniczny do stosowania 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 procesów. Rozróżnienia: algorytm sterowania realizowany sprzętowo a realizowany programowo sterownik programowalny a sterownik dedykowany 3

4 Historia sterowników programowalnych sięga roku 1968, gdy w firmie General Motors grupa inżynierów rozpoczęła prace projektowe nad nową generacją sterowników, przyjmując następujące założenia: Łatwość programowania i przeprogramowywania, stosownie do zmieniających się warunków pracy. Łatwość utrzymania w ruchu produkcyjnym, z możliwością napraw przez wymianę instalowanych modułów (ang. plug-in modules). Większa niezawodność w warunkach przemysłowych, przy mniejszych gabarytach niż sprzęt przekaźnikowy. Koszty porównywalne ze stosowanymi panelami przekaźnikowymi i szafami sterowniczymi. Do rozszerzenia produkcji i zastosowań sterowników PLC przyczyniły się głównie: łatwość programowania przy użyciu języka schematów drabinkowych podobnego do schematów stykowo-przekaźnikowych; zwiększenie niezawodności komputerów przemysłowych na tyle, aby mogły działać w zanieczyszczonym środowisku; wprowadzenie programowej kontroli obwodów wejściowych i wyjściowych, oraz innych możliwości diagnostyki systemowej i obiektowej; zapewnienie komunikacji z gniazdami przemysłowymi, panelami operatorskimi, wyświetlaczami, komputerami osobistymi oraz innymi urządzeniami stanowiącymi łącze operatora (MMI, ang. Man Machine Interface). Rodziny sterowników charakteryzują się tym, że poszczególne modele: mogą być programowane w tym samym języku i przy użyciu tego samego pakietu programowego; posiadają takie same zmienne programowe oraz taką samą strukturę modułów I/O (moduły, płyty łączeniowe, drajwery, kable łączeniowe itp.); istnieje możliwość przenoszenia programów między modelami oraz korzystania z tych samych opcji w każdym modelu. 4

5 Systemy SCADA (ang. Supervisory Control and Data Acquisition) dopełniają i rozszerzają możliwości sterowników, realizując w warstwie sterowania nadrzędnego następujące funkcje: zbieranie i przetwarzanie oraz archiwizacja danych pochodzących bezpośrednio z systemów sterownikowych; opracowywanie raportów dotyczących bieżącego stanu procesu, zużycia materiałów oraz stanu pracy maszyn i urządzeń; wizualizacja wartości zmiennych procesowych (aktualnych i historycznych) w różnych formach graficznych; generowanie sygnałów alarmowych związanych z przekroczeniem wartości granicznych; wypracowywanie danych dla warstw sterowania operatywnego produkcją oraz warstwy zarządzania. W celu podwyższenia niezawodności systemów sterownikowych wielu producentów wprowadziło sprzętowe i programowe rozwiązania redundancyjne. 5

6 1.2 Norma IEC Doświadczenia zebrane przez wielu producentów oraz użytkowników sterowników programowalnych zaowocowały opracowaniem i wydaniem w latach przez Międzynarodową Komisję Elektrotechniki IEC (International Electrotechnical Commission) normy IEC Programmable Controllers, od 1998 r. oznaczonej jako IEC 61131, przyjętej bez zmian w Europie jako EN Norma ta dotyczy sterowników programowalnych oraz związanych z nimi urządzeń peryferyjnych, takich jak: narzędzia programujące i uruchomieniowe (PADT, ang. Programming And Debugging Tools), wyposażenie testujące (TE, ang. Test Equipment), interfejs człowiek-maszyna (MMI, ang. Man-Machine Interface). Przedmiotem normy jest: ustalenie definicji i określenie głównych właściwości istotnych przy wyborze i stosowaniu sterowników programowalnych i związanych z nimi urządzeń peryferyjnych; specyfikacja minimalnych wymagań dotyczących własności funkcjonalnych i konstrukcyjnych, warunków serwisowania, bezpieczeństwa i testów dla sterowników programowalnych; zdefiniowanie reguł składni i semantyki dla ogólnie stosowanych języków programowania, zestawu podstawowych elementów oprogramowania oraz środków, za pomocą których producent może rozbudowywać te podstawowe zestawy dla własnych implementacji PLC; podanie użytkownikowi ogólnych informacji i wskazówek; zdefiniowanie zasad komunikacji między sterownikami a innymi systemami elektronicznymi z użyciem określonych w normie ISO/IEC 9506 Specyfikacji Komunikatów w Procesie Wytwarzania (MMS, ang. Manufacturing Message Specification). 6

7 1.3 Budowa i zasada działania sterownika Magistrala systemowa Wejścia Wyjścia %I1 %I2 %I3 itd. Moduł wejść %Q1 %Q2 %Q3 itd. Aktualizacja stanu wejść Aktualizacja stanu wyjść Pamięć danych RAM Wejścia Adres Stan %I1 0 %I2 0 %I3 1 itd. Wyjścia Adres Stan %Q1 0 %Q2 0 %Q3 1 Mikroprocesor ALU Rejestry robocze Rejestr rozkazów LD %I1 Licznik rozkazów 000 Program użytkownika w pamięci RAM lub EPROM Adres Rozkaz 000 LD %I1 001 AND %I2 002 ST %Q1 003 itd. n END Moduł wyjść itd. Rys. 1.1 Schemat ideowy sterownika Sterownik pracuje w cyklu programowym (ang. Program Sweep), w którym: W fazie aktualizacji stanu wejść występuje przepisanie wartości wejść z modułów wejściowych do odpowiadających im obszarów w pamięci danych sterownika (oznaczonych tu jako %In, gdzie n jest numerem wejścia); W fazie wykonania programu realizowany jest jeden przebieg programu użytkownika kolejne instrukcje programu przekazywane są z pamięci programu do mikroprocesora, który je dekoduje, wykonuje odpowiednie działania i zapisuje wynik obliczeń w pamięci danych. Program użytkownika kończy się instrukcją END; W fazie aktualizacji wyjść następuje przepisanie obliczonych wartości wyjść (oznaczonych tu jako %Qn, gdzie n jest numerem wyjścia) z odpowiedniego obszaru danych do modułów wyjściowych, które generują sygnały sterujące. 7

8 1.4 Przykład zadania sterowania napędem rewersyjnym L1 L2 L3 PE F1 F2 M Rys. 1.2 Schemat obwodu mocy trójfazowego silnika prądu przemiennego w prawo w lewo H1 H2 stop S2 H3 S1 F2 S0 24V Rys. 1.3 Schemat stykowy obwodu sterowania 8

9 S1 S2 S0 F2 w lewo w prawo stop wyłącznik termiczny %I1 %I2 %I3 %I4 24V DIGITAL INPUT Moduł wejść typu SINK IN 24V DIGITAL INPUT Moduł wejść typu SOURCE IN Rys. 1.4 Schemat połączeń obwodów wejściowych z modułem wejść cyfrowych Tab. 1.1 Deklaracje zmiennych dla programu sterowania silnikiem Adres w pamięci Nazwa zmiennej Symbol na schemacie Opis %I0001 S1_PRAWO S1 przycisk załączenia w prawo (zwierny) %I0002 S2_LEWO S2 przycisk załączenia w lewo (zwierny) %I0003 S0_STOP S0 przycisk wyłączenia stop (rozwierny) %I0004 F2_TERM F2 zabezpieczenie termiczne (rozwierny) %Q0001 _PRAWO przekaźnik załączający silnik w prawo %Q0002 _LEWO przekaźnik załączający silnik w lewo %Q0003 H1_PRAWO H1 lampka sygnalizacji wirowania w prawo %Q0004 H2_LEWO H2 lampka sygnalizacji wirowania w lewo %Q0005 H3_STOP H3 lampka sygnalizacji stopu 9

10 Program sterowania silnikiem (wersja 1) F2_TERM S0_STOP _PRAWO _LEWO _PRAWO %I0004 %I0003 %Q0001 %Q0002 %Q0001 / ( ) S1_PRAWO %I LD %I AND %I AND( 04 OR %Q0001 %I ) 06 ANDN 07 ST %Q0002 %Q0001 F2_TERM S0_STOP _LEWO _PRAWO _LEWO %I0004 %I0003 %Q0002 %Q0001 %Q0002 / ( ) S2_LEWO %I LD 09 AND %I0004 %I AND( %Q OR 12 ) %I ANDN %Q ST %Q0002 _PRAWO H1_PRAWO %Q0001 %Q0003 ( ) 15 LD %Q ST %Q0003 _LEWO H2_LEWO %Q0002 %Q0004 ( ) 17 LD %Q ST %Q0004 _PRAWO _LEWO H3_STOP %Q0001 %Q0002 %Q0005 / / ( ) 19 LDN %Q ANDN 21 ST %Q0002 %Q

11 %Q3 %Q4 %Q5 w prawo w lewo stop H1 H2 H3 %Q1 %Q2 DIGITAL OUTPUT Moduł wyjść typu SOURCE OUT 24V DIGITAL OUTPUT Moduł wyjść typu SINK OUT 24V Rys. 1.5 Schemat połączeń obwodów wyjściowych z modułem wyjść cyfrowych 11

12 w lewo w prawo H1 H2 stop H3 S2 S1 F2 S0 K3A S0 K4C K3A K3A K4C 24V Rys. 1.6 Schemat stykowy obwodu sterowania silnikiem z opóźnionym przełączaniem Tab. 1.2 Deklaracje zmiennych dla programu sterowania z opóźnionym przełączaniem Adres w pamięci Nazwa zmiennej Opis %I0001 S1 przycisk załączenia w prawo (zwierny) %I0002 S2 przycisk załączenia w lewo (zwierny) %I0003 S0 przycisk wyłączenia stop (rozwierny) %I0004 F2 zabezpieczenie termiczne (rozwierny) %Q0001 przekaźnik załączający silnik w prawo %Q0002 przekaźnik załączający silnik w lewo %Q0003 H1 lampka sygnalizacji wirowania w prawo %Q0004 H2 lampka sygnalizacji wirowania w lewo %Q0005 H3 lampka sygnalizacji stopu %M0001 K3A zmienna pomocnicza w pamięci sterownika %M0002 K4C zmienna pomocnicza w pamięci sterownika 12

13 Program sterowania silnikiem z opóźnionym przełączaniem F2 S0 K3A / / ( ) S1 / ( ) S2 (* dodatkowy przekaznik K3A *) S0 K4C K3A / / ( ) K3A (* użycie czasomierza zamiast przekaźnika czasowego *) OPOZNIENIE K3A TON K4C IN Q ( ) t#2s PT H1 ( ) H2 ( ) H3 / / ( ) 13

14 1.5 Programowanie przerzutników Dwa sposoby programowania przerzutnika RS w języku schematów drabinkowych (* zatrzask *) R S Q %I0003 %I0001 %Q0001 / ( ) Q %Q0001 (* cewki S i R *) S Q %I0001 %Q0001 (S) R %I0003 Q %Q0001 (R) Dwa sposoby programowania przerzutnika SR w języku schematów drabinkowych (* zatrzask *) S Q %I0001 %Q0001 ( ) R Q %I0003 %Q0001 / (* cewki R i S *) R Q %I0003 %Q0001 (R) S %I0001 Q %Q0001 (S) 14

15 Program sterowania silnikiem w języku schematów drabinkowych (wersja 2) S1_PRAWO _LEWO _PRAWO %I0001 %Q0002 %Q0001 / (S) S0_STOP _PRAWO %I0003 %Q0001 / (R) F2_TERM %I0004 / S2_LEWO _PRAWO _LEWO %I0002 %Q0001 %Q0002 / (S) S0_STOP _LEWO %I0003 %Q0002 / (R) F2_TERM %I0004 / 15

16 1.6 Architektura sterownika PLC Opcjonalnie pamięć programu EPROM B u f o r B u f o r Program użytkownika (RAM) B a t e r i a CPU (µp) Jednostka centralna Magistrala Z e g a r Magistrala adresów sterowań System operacyjny (ROM) Magistrala danych Dane (RAM) Interfejs we / wy B u f o r Rejestr pamiętający Magistrala systemowa we / wy Moduł wyjść Rejestr buforowy Moduł wejść Moduły wejść i wyjść Sterowanie kluczami Przekaźniki itp. Filtr Optoizolacja Panel programatora (dołączany) Kanały wyjściowe np przekaźniki, tranzystory polowe, triaki Kanały wejściowe (z obiektu) Rys. 1.7 Architektura sterownika PLC Pamięć przeznaczona na dane użytkownika dzieli się na obszary: dane wejściowe, zawierające obraz wejść sterownika, zwykle adresowane są za pomocą przedrostka %I; dane wyjściowe, zawierające obraz wyjść sterownika, zwykle adresowane są za pomocą przedrostka %Q; dane użytkownika, nie związane ani z wejściami, ani z wyjściami, zwykle adresowane za pomocą przedrostka %M. Ze względu na architekturę wyróżnia się sterowniki: kompaktowe (małe, przekaźniki inteligentne), modułowe (średnie i duże). 16

17 Tab. 1.3 Rodziny sterowników największych producentów Producent Inteligentne przekaźniki Małe Średnie Duże Siemens Logo SIMATIC S7-200 SIMATIC S7-300 SIMATIC S7-400 Schneider Electric Zelio Nano, Micro, Twido Premium, Compact, Momentum Quantum GE Fanuc VersaMax- Nano VersaMax-Micro 90-30, VersaMax, PACSystems RX3i 90-70, PACSystems RX7i Mitsubishi Electric ALPHA MELSEC FX1, FX2 MELSEC QnAS MELSEC QnA, MELSEC System Q Omron CPM1, CPM2, CQM1H C200H-alpha, CJ1, CS1 CVM1 Rockwell Automation (Allen-Bradley) Pico MicroLogix SLC500, FlexLogix, ControlLogix PLC-5 17

18 1.8 Sterowniki modułowe Rys Przykład sterownika modułowego Elementy sterownika modułowego: Płyta łączeniowa (ang. baseplate), zwana także kasetą (ang. rack), posiada gniazda (ang. slots) do podłączenia wybranych modułów, Moduły podstawowe: zasilacz (PS, ang. Power Supply) oraz moduł jednostki centralnej (CPU, ang. Central Proccessing Unit). Moduły wejść i wyjść cyfrowych (ang. Digital Input, Digital Output), Moduły wejść i wyjść analogowych (ang. Analog Input, Analog Output), Moduły komunikacyjne, do podłączenia sterownika do sieci lokalnej w określonym standardzie, np. Modbus, Profibus, ControlNet, Genius itp. lub do sieci Ethernet, Inne moduły (moduły inteligentne i dodatkowe): Moduły szybkich liczników (HSC, ang. High-Speed Counter), Moduły pozycjonowania osi (APM, ang. Axis Positioning Module), Moduły wejściowe dla czujników temperatury, Moduły regulatora PID lub regulatory rozmyte, Moduły akwizycji kodu paskowego itd. 18

19 1.7 Cykl programowy sterownika i tryby pracy INICJALIZACJA CYKLU INICJALIZACJA ODCZYTAĆ WEJŚCIA? NIE TAK CZYTANIE STANÓW WEJŚĆ CZYTANIE DANYCH WEJŚCIOWYCH TRYB "RUN"? TAK WYKONANIE PROGRAMU NIE PROGRAM CZAS TRWANIA CYKLU UAKTUALNIĆ WYJŚCIA? TAK AKTUALIZACJA STANÓW WYJŚĆ NIE WYSYŁANIE DANYCH WYJŚCIOWYCH KOMUNIKACJA Z PROGRAMATOREM I KOMUNIKACJA SYSTEMOWA OBSŁUGA PROGRAMATORA I KOMUNIKACJA SYSTEMOWA WYKONANIE FUNKCJI DIAGNOSTYCZNYCH DIAGNOSTYKA ROZPOCZĘCIE NASTĘPNEGO CYKLU Rys. 1.9 Fazy cyklu programowego sterownika PLC Podstawowe tryby pracy sterownika: Tryb RUN (tryb wykonywania) jest to właściwy tryb pracy sterownika, w którym wykonywane są wszystkie fazy cyklu; Tryb STOP tryb zatrzymania sterownika. Ponadto: praca w pojedynczym cyklu (ang. Single Sweep), praca krokowa (wykonanie tylko jednego rozkazu) lub praca z normalnym cyklem, ale bez aktywizacji sygnałów wyjściowych w modułach wyjść cyfrowych (tryby testowania). Czas trwania cyklu sterownika (ang. Scan Time) nie może być dowolnie długi. W CPU istnieje układ zegara (watchdog), zabezpieczającego przed zawieszeniem sterownika. 19