Elementy cyfrowe i układy logiczne

Transkrypt

1 Elementy cyfrowe i układy logiczne Wykład Legenda Programowalne Sterowniki Logiczne (PLC) 2 1

2 Co to jest? Sterowniki PLC (ang. Programmable Logic Controller) są to takie sterowniki, których sposób działania w postaci programu jest pamiętany w sterowniku. 3 2

3 Komputery przemysłowe Podzespoły sieci przemysłowych TwinCAT Napędy 5 Wstęp Sterowniki z programowalną pamięcią stosowane są do kontroli i sterowania skomplikowanymi procesami technologicznymi. Sterowniki PLC posiadają procesor, wykonujący niezbędne operacje logiczne i arytmetyczne. Sterowniki PLC mogą być obsługiwane z komputera IBM PC lub komputera przemysłowego z magistralą (np. Magistrala VXI) wraz z programowaniem. Sterownik na podstawie wysłanych dany z programu analizuje stan wejść i ustala na wyjściach lub w pamięci odpowiednie wartości i stany. 6 3

4 Historia Rok pierwszy sterownik dla przemysłu samochodowego (General Motors) Rok zastosowanie mikroprocesora w sterownikach (Allan-Bradley) Lata 70' XX wieku - mikrokomputery sterujące 7 Producenci sterowników PLC Siemens (Niemcy) Honeywell (USA) Allen Bradley (USA) Omron (Japonia) GE Fanuc (USA-Japonia) Hitachi (Japonia) Mitsubishi (Japonia) Matsushita (Japonia) AEG-Modicon (Niemcy-USA) 8 4

5 Pożądane właściwości sterowników PLC łatwość programowania/zmiany programu, w tym również podczas współpracy z obiektami, aby umożliwić łatwą i szybką adaptację systemu do zmieniających się zadań sterowania niezawodne w warunkach bez klimatyzacji pracując w otoczeniu z dużymi wahaniami temperatury i dużymi zakłóceniami elektrycznymi, 24h na dobę łatwość montażu i napraw, najlepiej poprzez wymianę podzespołów (modułów) proste w konserwacji i proste do obsługiwania przez "osoby z wykształceniem średnim" możliwość komunikowania się z komputerami nadrzędnymi małe gabaryty 9 Cechy sterowników PLC możliwości programowania prosty język opisu algorytmu sterowania bardzo łatwa forma programowania operacji logicznych wspomaganie w większości typowych funkcji przez specjalny system operacyjny czasu rzeczywistego łatwość uruchamiania algorytmu sterowania ułatwiona diagnostyka systemów sterowania przystosowanie do pracy w warunkach przemysłowych niższe koszty i opłacalność stosowania nawet w przypadku sterowania prostych obiektów szybkość przetwarzania modułowość elastyczność dokładność powtarzalność 10 5

6 Podział sterowników logicznych wielkość - małe do 100 I/O -średnie do 500 I/O - duże ponad 500 I/O budowa - kompaktowa - modułowa moc obliczeniowa - wielkość pamięci programu - wielkość pamięci na zmienne - czas realizacji kilorozkazów rodzaj sygnałów wejściowych/wyjściowych - prądowe - analogowe - napięciowe - impulsowe - mieszane 11 Cechy charakterystyczne sterowników PLC specyficzny system operacyjny i sposób programowania język programowania zorientowany na wykonywanie nie tylko operacji słownych, ale i bitowych przechowywanie programów użytkowych w pamięci EEPROM/FLASH i bateryjne podtrzymywanie pamięci operacyjnej przystosowanie modułów wejść i wyjść do standardów napięć przemysłowych duża obciążalność prądowa wyjść, umożliwiająca bezpośrednie sterowanie układów wykonawczych przystosowanie konstrukcyjne do montażu w bezpośrednim otoczeniu obiektu sterowanego odporność na działania środowiska przemysłowego, bez konieczności okresowej obsługi i konserwacji 12 6

7 Parametry przykładowych sterowników PLC 13 General Motors 1968 Modbus Modicon 1979 Genius/N-80 GE-Fanuc 1985 LonWorks Echelon 1991 CAN (Controller Area Network) BOSCH 1994 SDS (Smart Distributed System) Honeywell 1994 Komunikacja sterownika z otoczeniem Sieć Szybkość, odległość Ilość stacji Max blok Inne DeviceNet Rockwell i Allen-Bradley 1994 HART HART Communication Foundation? FIP/WorldFIP (Factory Instrumentation Protocol) (Factory Information Protocol) (Fieldbus Internet Protocol) CEGELEC bps 1200m bps 1200m kbps m 38.4 kbps 2250m 1.25 Mbps - 500m 78.0 kbps - 100m 1 Mbps 40m 50 kbps 1000m 1 Mbps 100m/500m 500 kbps - 100m 125 kbps 500m 1 Mbps - 30m 500 kbps 100m/500m 125 kbps 490m 256/ / , dla 1Mbps, 64 dla pozost bps kbps - 32 km 1 Mbps - 4km z 3 rep. 2.5 Mbps - 2km z 3 rep. 5.0 Mbps - 1km z 3 rep. 25 Mbps -? 256 (rep), /250 pierwszy sterownik (dla przemysłu samochodowego) RS-232, RS-422, RS-485, Modem, M-S, prostota skrętka, światłowód, T-P, P-C koprocesor sieciowy Neuron Chip, M-S, P2P, PM skrętka, światłowód, P-C, CSMA/CD+AMP skrętka (med.+zas.), na bazie CAN, M-S, P2P, M-M, CSMA/NBA skrętka (med.+zas.), na bazie CAN (broadcast), M-S, M-M, inne, CSMA/NBA skrętka, Bell 202, FSK, 1200 i 2200 Hz na 4..20mA, M-S skrętka, światłowód, bezprz., długość medium można podwoić uruchamiając 14 magistralę w trybie wolnym, P-D-C, BA 7

8 Profibus-PD SIEMENS 1994 Intrerbus-S Phoenix Contact 1984 Fieldbus Foundation HSE Xerox 1979 Komunikacja sterownika z otoczeniem - c.d. Sieć Szybkość, odległość Ilość stacji Max blok Inne Fieldbus Foundation H1, H2 SIEMENS? ControlNet Rockwell 1997 AS-I AS-I Consorcium 1993 P-Net PROCES-DATA 1984 SwiftNet?? 12 Mbps - 100m/500m 1.5 Mbps - 200m 9.6 kbps m/9600m H kbps 1900m H2-1.0 Mbps -? 10 Mbps - 100m/2500m 100 Mbps - 100m/2500m 1.0 Gbps - 100m/2500m 128 (rep), kbps - 400m skrętka, światłowód, C-S-P-S Mbps - 250m/1000m 99 64/128/ kbps - 100m/300m M-S, CP 76.8 kbps m 125 1???? skrętka, światłowód, M-S - stacja Master i inna, P2P - między stacjami Master TP skrętka, światłowód, M-S skrętka, światłowód, M-S, P2P, CSMA/CD skrętka, światłowód, P-C, CTDMA RS-485, prosty protokół (nawet dla up 8-bit), M-M, TP 15 Komunikacja sterownika z otoczeniem objaśnienia BA - Bus Arbiter CP - Cyclic Polling CSMA/CD - Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect CSMA/CD+AMP - Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection and Arbitration on Message Priority CSMA/NBA - Carrier Sense Multiple Access with Non-destructive Bitwise Arbitration CTDMA - Concurrent Time Domain Multiple Access C-S-P-S - Client-Serwer-Publisher-Subscriber M-M - Multi-Master M-S - Master-Slave P2P - Peer to peer PDC - Producer-Distributor-Consumer PM - Predictive Media / CSMA/CA-P P-C - Producer-Consumer P-D-C - Producer-Distributor-Consumer SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition 16 8

9 Zastosowania sieci przemysłowych - komunikacja pomiędzy modułami sterowników - komunikacja z czujnikami pomiarowymi - komunikacja z inteligentnymi czujnikami i oprzyrządowaniem pracującymi na pętli prądowej 4..20mA - zdalne programowanie i nadzór sterowników i innych urządzeń - sterowanie i kontrola obwodów parametrów lotu w samolotach - automatyzacja i sterowanie w pociągach - automatyzacja pojazdów - automatyzacja budynków - systemy "inteligentnych budynków" - systemy kontroli ruchu - szybkie przesyłanie danych na nieduże odległości - kontrola procesów przemysłowych - monitorowanie i rejestrowanie danych pomiarowych - komunikacja z systemami SCADA 17 Zasada działania sterowników PLC Podstawową zasadą pracy sterowników jest praca cykliczna, w której sterownik wykonuje kolejno po sobie pojedyncze rozkazy programu w takiej kolejności, w jakiej są one zapisane w programie. Na początku każdego cyklu program odczytuje "obraz" stanu wejść sterownika i zapisuje ich stany. 18 9

10 Zasada działania sterowników PLC c.d. Po wykonaniu wszystkich rozkazów i określeniu (wyliczeniu) aktualnego dla danej sytuacji stanu wyjść, sterownik wpisuje stany wyjść do pamięci będącej obrazem wyjść procesu a system operacyjny steruje odpowiednimi wyjściami sterującymi elementami wykonawczymi. Tak więc wszystkie połączenia sygnałowe spotykają się w układach (modułach) wejściowych sterownika, a program śledzi ich obraz i reaguje zmianą stanów wyjść w zależności od algorytmu. 19 Sterowniki PLC składają się z: jednostki centralnej (CPU) bloków wejść cyfrowych bloków wejść analogowych bloków komunikacyjnych bloków wyjść cyfrowych bloków wyjść analogowych bloków specjalnych 20 10

11 PLC - jednostka centralna Głównym elementem każdego sterownika jest jednostka centralna, której zadaniem jest: odczytywanie stanów urządzenia, dokonywanie operacji, określanie stanu sterownika, synchronizacja działania wszystkich członów sterownika. 21 PLC - jednostka centralna Jednostka centralna jest podstawowym elementem decydującym o szybkości działania sterownika. Większość sterowników wyposażona jest w 16-bitowe procesory, chociaż coraz częściej spotykamy się z procesorami 32-bitowymi. Jednostka centralna może być wyposażona w kilka procesorów. Sterowniki modułowe średniej wielkości posiadają przeważnie 2 procesory, natomiast duże mają od kilku do kilkunastu procesorów w swojej jednostce. Jednostki centralne CPU działają cyklicznie, pozwala to na wykonywanie programu wściśle określonym trybie

12 PLC - wejście cyfrowe Wejście cyfrowe - ogólnie przyjęta nazwa pojedynczego wejścia binarnego sterownika PLC, mogącego mieć dwa stany: "0" - brak napięcia i "1" - jest napięcie. Wejścia cyfrowe są podstawowymi blokami wejściowymi sterowników PLC. Do nich docierają sygnały z przycisków sterowniczych, czujników, itp. Na podstawie tych sygnałów sterownik PLC steruje wg zawartego w nim algorytmu pozostałymi elementami poprzez wyjścia cyfrowe lub wyjścia analogowe. 23 PLC - wyjście cyfrowe Wyjście cyfrowe - ogólnie przyjęta nazwa pojedynczego wyjścia binarnego sterownika PLC. Przyjmują następujące stany: "0" - brak napięcia, "1" - jest napięcie. Produkowane są (przeważnie) dwa rodzaje wyjść: tranzystorowe o obciążalności 0,5 A przekaźnikowe o obciążalności 8 A. Poprzez wyjścia cyfrowe sterownik steruje urządzeniami zewnętrznymi takimi jak: styczniki, elektrozawory, lampki kontrolne, sygnały akustyczne, itd

13 PLC - wejście analogowe Wejście analogowe - ogólnie przyjęta nazwa pojedynczego wejścia sterownika PLC dla standardowych sygnałów analogowych. Przyjęte standardy to: ma, ma, V Służą do pomiarów m.in.: temperatury, ciśnienia, przepływu, obrotów, itp. Pomiary te odbywają się poprzez zamianę wartości np. temperatury na sygnał analogowy o wartości np V. Sygnały są przetwarzane w sterowniku, który reaguje wg ustalonego algorytmu. 25 PLC - wyjście analogowe Wyjście analogowe - ogólnie przyjęta nazwa pojedynczego wyjścia analogowego sterownika PLC. Standardowe wyjścia analogowe mają wartości: ma, ma, V Jest podstawowym składnikiem bloków wyjść analogowych sterowników PLC. Sterownik poprzez te wyjścia może sterować urządzeniami zewnętrznymi takimi jak: regulatory temperatury, przetwornica częstotliwości, serwonapęd, itp

14 PLC - bloki specjalne Oprócz podstawowych bloków sterowniki PLC mogą mieć również bloki specjalne, np: regulacyjne sterowniki wyposażone w jednostkę centralną typu wieloprocesorowego, przystosowane do przetwarzania wielobitowych sygnałów, pozycjonowane sterowniki stosowane jako sterowniki urządzeń manipulacyjnych, gdy konieczna jest zmiana parametrów urządzeń napędowych, układy sterowania silnikami krokowymi. układy sterowania ruchem. 27 Struktura sterowników Proces automatyki Wejścia binarne Wejścia analogowe Bloki specjalne Wyjścia analogowe Wyjścia binarne Moduły I/O Program Obraz wejść zmienne pomocnicze dane timer licznik Obraz wyjść Pamięć PROCESOR 28 14

15 Cykl pracy sterownika START Identyfikacja Inicjalizacja Aktualizacja obrazu wejść Diagnostyka PROGRAM Aktualizacja wyjść pakietów 29 Adresowanie pamięci W pamięci sterownika wyodrębniona jest pewna ilość miejsc do przechowywania chwilowych wyników operacji. W sterownikach PLC rozróżniamy 4 tryby adresowania: bitowo, bajtowo, wyrazowo oraz przy pomocy dwóch słów. Adresując słownie operujemy na 16-tu bitach i przy pomocy dwóch słów na 32-ch bitach. bajt bit wyraz M 0.3 bajt 0, bit 3 MB 3 bajt 3 MW 5 wyraz

16 Adresowanie modułów Adresowanie modułów przebiega podobnie jak adresowanie pamięci. W przypadku wejść i wyjść binarnych podajemy numer modułu i po kropce numer zacisku a w przypadku modułów analogowych tylko numer zacisku (adresowanie wyrazowe). Numer modułu zależy od jego umiejscowienia na szynie. Pierwszy moduł otrzymuje adres 0 a następne 1, 2 itd. lub 4, 8, itd. w zależności od typu sterownika i modułów. 0 lub lub lub 8 11 Np. aby odczytać czujnik podłączony do modułu nr 0 i zacisku 3 wpisujmy: I Operandy Przed opisem numerycznym wejścia, wyjścia lub pamięci dodaje się symbol literowy identyfikujący dany adres. Dopuszczalny jest zapis w języku angielskim i niemieckim. oznaczenie ang. niem. bitowo bajtowo wyrazowo wejścia I E wyjścia Q A flagi F M dane D D timer T T licznik C Z stałe K K 32 16

17 Operandy w programowaniu LAD CSF STL - iloczyn logiczny (AND) I 1.0 I 1.2 I 1.0 I 1.2 & A I 1.0 A I suma logiczna (OR) M 1.0 I 4.5 M 1.0 I 4.5 >= ON M 1.0 O I wynik operacji M 1.6 M 1.6 = = M Języki programowania Istnieją 3 podstawowe języki programowania sterowników PLC: 1. LAD jest to język oparty na rysowaniu schematu zwanego drabinkowym, bardzo wygodny do układania programu mając dany układ przekaźnikowy mający działać automatycznie, 2. CSF stosowany do programowania sterownika, gdy dysponujemy układem zbudowanym z bramek logicznych, 3. STL będący językiem mnemonicznym, o strukturze podobnej do wewnętrznego języka mikroprocesorów (asemblera). Największe możliwości uzyskujemy dla języka STL, gdyż pozwala na użycie funkcji i instrukcji niedostępnych w dwóch pozostałych. Przekształcenie programu z LAD na CSF i odwrotnie jak również z LAD lub SCF na STL jest możliwe. Konwersja z STL na LAD lub CSF nie jest możliwa w każdym przypadku

18 Procesy - przykłady 35 Procesy - przykłady 36 18

19 Procesy stanowisko badawcze Stanowisko badawcze Kocioł Pompa Falownik Sygnał Q przepływ wody Sygnał Hz Hz KOTŁOWNIA OBIEKT INWESTORA PROJEKTANT SYSTEMU Komputer Korzysta z programu Mitsubishi IDR Blok Komunikacja Kolejne modyfikacje programu Połączenie poprzez kanał VPN umożliwia bezpieczny zdalny monitoring pracy kotłowni mapowanie wizualizacji z panelu PLC na komputer projektanta Feedback modyfikacja elementów programu lub parametrów Czujnik odbiera sygnał o poziomie wody 4-20 ma Sterownik Przesłanie sygnału ze sterownika Feedback inf zwrotna Przesłanie sygnału Feedback inf zwrotna Mapowanie pulpitu panelu PLC Serwer www Sygnał sterowania 4-20 ma INTERNET Panel PLC Komunikacja dwustronna Operator pracownik kotłowni Urządzenia kotłowni Operacyjna obsługa kotłowni Realizuje wizualizację procesów Posiada wbudowaną funkcjonalność serwer a www Modyfikacja programu przez www Bezpośrednie wgranie programu do sterownika 37 Monitoring pracy urządzeń Zwarta zabudowa z bezpośrednim wyjściem do podłączenia szerokiej oferty modułów I/O, uniwersalne zasilacze I/O; moduły fieldbus master/slave do innych standardów komunikacyjnych; Embedded PC wyjścia DVI/USB do bezpośredniego podłączenia monitora, bądź EPC zabudowane w panelu (CP66, CP67); karta CF; magistrala EtherCAT; integracja modułów safety; jedno Embedded PC środowisko programowe TwinCAT z własną 38 wizualizacją pod Win 19

20 Koniec Dziękuję za uwagę 39 20