- laboratorium Ćwiczenie PA3 Realizacja układów przełączających z wykorzystaniem Instrukcja laboratoryjna Opracował : dr inŝ. Wieńczysław J. Kościelny Człowiek - najlepsza inwestycja Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Warszawa 2009
Realizacja układów przełączających z wykorzystaniem sterownika LOGO! Celem ćwiczenia jest wprowadzenie w technikę sterowników programowalnych PLC. 1. WPROWADZENIE Stosowane do automatyzacji dyskretnych procesów wytwarzania stałoprogramowe lub programowane połączeniowo układy sterowania maszyn i urządzeń technologicznych (obrabiarek, robotów przemysłowych, pomp, silników itp.), realizowane w technice stykowoprzekaźnikowej, pneumatycznej lub elektronicznej, budowane są z myślą o konkretnym, najczęściej jednym zastosowaniu. KaŜda zmiana algorytmu sterowania pociąga za sobą konieczność zmiany przynajmniej części połączeń i podzespołów, aktualizację dokumentacji i uruchomienie nowej struktury urządzeniowej. Rozwój techniki układów cyfrowych, a w szczególności półprzewodnikowych pamięci programowalnych, umoŝliwił powstanie układów programowalnych, w których algorytm sterowania i struktura urządzeniowa są zapisane w pamięci w postaci ciągu instrukcji (programu sterowania), sterujących przepływem danych między poszczególnymi zespołami funkcjonalnymi struktury logicznej. Oprócz komputerowych układów sterowania, wykorzystujących uniwersalne systemy komputerowe (np. komputery klasy PC), realizujących zadania zbierania, przetwarzania i sterowania zmiennych numerycznych lub analogowych, powstały układy sterowania, w których instrukcje sterujące stanowi zespół równań logicznych opisujących sekwencję zmian stanu załączenia maszyn i urządzeń technologicznych na podstawie: - binarnych zmiennych informujących o stanie procesu, - binarnych zmiennych sterujących, których zmiana wartości realizowana jest przez operatora lub przez system sterowania nadrzędnego. Ze względu na specyfikę działania i programowania układy te nazywane są programowalnymi sterownikami logicznymi (ang. Programmable Logic Controller PLC, niem. Speicherprogrammierbare Steuerungen SPS). Pierwsze układy tego typu powstały w 1969 roku w USA. Zapotrzebowanie na nie okazało się bardzo duŝe. Znalazły one wiele zastosowań w praktycznie wszystkich gałęziach przemysłu, m. in. maszynowego, elektromaszynowego, energetycznego, chemicznego, spoŝywczego, do automatyzacji budynków itp. Do pierwszych producentów sterowników PLC bardzo szybko dołączyła liczna grupa nowych. Współczesna oferta rynku tych urządzeń jest bardzo bogata i obejmuje wielką ich róŝnorodność zarówno pod względem wielkości (liczby wejść i wyjść), moŝliwości funkcjonalnych jak i sposobów programowania. 2. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA UKŁADÓW PLC Pomimo duŝej róŝnorodności rozwiązań układowych systemów PLC, moŝna wymienić szereg wspólnych im wszystkim właściwości: - uniwersalność moŝliwość realizacji róŝnych algorytmów sterowania bez konieczności zmian struktury urządzeniowej lub łączeniowej układu, - modułowość - moŝliwość konfiguracji PLC o odpowiedniej dla danego zastosowania liczbie wejść i wyjść, 2
- programowalność realizacja algorytmu sterowania jako ciągu instrukcji, zapisanych w reprogramowalnej pamięci programu, stanowiących zestaw równań logicznych, opisujących włączanie i wyłączanie procesowych urządzeń wykonawczych, - funkcjonalność bezpośrednie sprzęgnięcie ze sterownikiem sterowanych urządzeń wykonawczych przez moduły wejścia/wyjścia o szerokim zakresie poziomu i mocy sygnału sterującego (24 220 VAC, VDC; 0,1 10A), - niezawodność uzyskiwana przez separację galwaniczną sterownik proces, hermetyzowaną obudowę, niewraŝliwość na zanik zasilania dzięki wbudowanym akumulatorom oraz dodatkowe zabezpieczenia programowe lub konstrukcyjne (np. autonomiczny programator), - komfort obsługi zapewniony zarówno w trakcie formułowania zadania sterowania (moŝliwość symulacji i testowania pracy obiektu sterowania), tworzenia dokumentacji jak i eksploatacji stanowiska technologicznego (sygnalizacja stanu sygnałów wejściowych i wyjściowych). Właściwości te decydują o przydatności układów PLC do sterowania róŝnorodnymi procesami. Klasyczny układ stałoprogramowy steruje jednym tylko procesem, zgodnie z określonym algorytmem działania. W przypadku konieczności sterowania kilkoma niezaleŝnymi procesami niezbędne są oddzielne dla kaŝdego procesu układy stałoprogramowe. Charakterystyczną cechą sterowników PLC jest tzw. szeregowo-cykliczne przetwarzanie programu, umoŝliwiające jednoczesne sterowanie kilkoma niezaleŝnymi procesami. Sterownik cyklicznie zajmuje się obsługą kolejnych procesów, zgodnie z algorytmem sterowania danego procesu, przy czym ze względu na krótki czas trwania takiego jednego cyklu, zmiany sygnałów sterujących poszczególnymi procesami, wynikające z ich algorytmów sterowania, pojawiają się praktycznie jak gdyby procesy te byłyby sterowane równolegle. Charakterystyczną cechą systemów PLC jest wykorzystanie do programowania zadań sterowania specjalnych języków programowania. WyróŜnia się dwie podstawowe grupy takich języków: - języki tekstowe, - języki graficzne. Do grupy języków tekstowych zalicza się: - języki list instrukcji (IL - ang. Instruction List), - języki strukturalne (ST ang. Structured Text). Do grupy języków graficznych zalicza się: - języki schematów drabinkowych (LD ang. Ladder Diagram), - języki schematów blokowych (FBD ang. Function Block Diagram). 3. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA STEROWNIKA LOGO! Sterownik LOGO! to uniwersalny moduł logiczny o gabarytach 72x90x55 mm, opracowany i produkowany przez firmę Siemens. Moduł ten zawiera: - sterownik programowalny, - panel obsługi (przyciski i wyświetlacz ciekłokrystaliczny), - 6 wejść binarnych, oznaczonych jako I1, I2, I3, I4, I5, I6, 3
- 4 wyjścia binarne, oznaczone symbolami Q1, Q2, Q3, Q4, - interfejs portu szeregowego RS232 do dołączania dodatkowych modułów pamięci programu i połączenia z komputerem osobistym, - bloki realizujące podstawowe funkcje logiczne oraz szereg funkcji specjalnych, - zegar czasu rzeczywistego. Sterownik LOGO! jest uniwersalnym urządzeniem przeznaczonym do przełączania i sterowania w zastosowaniach domowych i przemysłowych. Posiada gotowe bloki funkcyjne, które w prosty sposób łączy się, tworząc schemat połączeń czyli program. Moduł LOGO! umoŝliwia rozwiązanie większości technicznych problemów związanych z obsługą urządzeń domowych i instalacji elektrycznych (np. oświetlenia klatki schodowej czy wystawy sklepowej, sterowania bramą, wentylacją). LOGO! znajduje równieŝ zastosowanie w wyspecjalizowanych systemach obsługi cieplarni. Układ czołowej strony LOGO! przedstawia rys. 1. Rys. 1. Widok sterownika LOGO! Wykorzystywana w ćwiczeniu wersja sterownika LOGO! 24R jest zasilana napięciem stałym 24V. Wejścia i wyjścia sterownika pracują równieŝ w standardzie 24V DC. Podłączanie wejść LOGO! Do wejść LOGO! moŝna podłączać róŝnego rodzaju dwustanowe elementy sygnałowe takie jak: przyciski, przełączniki, czujniki, fotokomórki, wyłączniki zmierzchowe. Aby sterownik rozpoznał zmianę logicznej wartości sygnału wejściowego, nowy stan powinien trwać przez co najmniej 50 ms. Sposób podłączania urządzeń wejściowych przedstawia rys. 2. Wejścia cyfrowe naleŝy podłączyć do tej samej fazy co zasilacz sterownika. 4
Rys. 2. Schemat podłączenia dwustanowych urządzeń wejściowych do wejść sterownika LOGO! Podłączanie wyjść LOGO! Wyjścia LOGO! Są wykonane w technice stykowo-przekaźnikowej, co zapewnia izolację galwaniczną obwodów zasilania urządzeń wyjściowych od obwodów wejściowych czujników dwustanowych i obwodu zasilania sterownika. Do wyjść sterownika moŝna podłączyć większość typowych urządzeń wykonawczych takich jak elementy oświetlenia, silniki elektryczne, zawory elektropneumatyczne. Przy podłączaniu tych urządzeń naleŝy wziąć pod uwagę, Ŝe prąd pobierany z wyjść sterownika typu 24R nie powinien przekraczać 8A. Sposób podłączenia urządzenia wykonawczego do wyjścia sterownika przedstawiono na rys. 3. Rys. 3. Schemat podłączenia urządzenia wykonawczego do wyjścia sterownika LOGO! 4. URUCHOMIENIE STEROWNIKA Sterownik LOGO! nie ma głównego wyłącznika zasilania; rozpoczyna pracę natychmiast po podłączeniu do źródła zasilania. Zachowanie sterownika w odpowiedzi na podłączenie zasilania zaleŝy od tego: - czy w jego pamięci wewnętrznej znajduje się program (sterownik ma bateryjne podtrzy manie pamięci programu), - czy jest połączony z zewnętrzną kartą pamięci programu, - w jakim stanie znajdował się sterownik w chwili odłączenia zasilania. MoŜliwe zachowania się sterownika w wyniku podłączenia zasilania przedstawia poniŝsza tablica. 5
Posługiwanie się sterownikiem LOGO! moŝe znacznie ułatwić pamiętanie o następujących zasadach: 1. JeŜeli przed włączeniem zasilania nie ma programu ani w pamięci wewnętrznej sterownika ani na przyłączonej karcie pamięci zewnętrznej, to po włączeniu zasilania na wyświetlaczu pojawi się komunikat No Program (brak programu). 2. Program znajdujący się na przyłączonej karcie pamięci zewnętrznej, z chwilą włączenia zasilania jest automatycznie kopiowany do pamięci wewnętrznej sterownika. Tym samym program, który znajdował się w pamięci wewnętrznej przed włączeniem zasilania, zostanie w wyniku tego skasowany. 3. JeŜeli w pamięci wewnętrznej sterownika lub w przyłączonej pamięci zewnętrznej znajduje się program, to po włączeniu zasilania LOGO! wznowi pracę w trybie jaki obowiązywał w chwili wyłączenia zasilania. 4. Wyłączenie zasilania powoduje skasowanie stanów liczników czasu i zdarzeń, poniewaŝ dane te są przechowywane w pamięci ulotnej, nie posiadającej bateryjnego podtrzymania napięcia zasilania. 5. JeŜeli zanik zasilania wystąpi podczas wprowadzania programu, to wprowadzona część programu zostaje utracona. 5. STANY PRACY STEROWNIKA LOGO! Sterownik LOGO! moŝe znajdować się w jednym z dwóch stanów: STOP stan zatrzymania wykonywania programu, RUN stan wykonywania programu. Sterownik znajduje się w stanie STOP w dwóch przypadkach: - jeŝeli sterownik nie zawiera programu (na wyświetlaczu komunikat No Program ), - jeŝeli został przełączony w tryb programowania. W stanie STOP: 6
- nie jest wykonywany program, - sterownik nie reaguje na zmiany sygnałów wejściowych, - zestyki przekaźników wyjściowych są rozwarte. Przejście do stanu wykonywania programu następuje po wybraniu z menu głównego w panelu obsługi sterownika opcji START i wciśnięciu klawisza OK. Z chwilą przejścia sterownika do stanu RUN, na wyświetlaczu panelu pojawia się napis RUN. W stanie RUN sterownik: - czyta stany wejść, - wylicza zgodnie z programem stany wyjść, - odpowiednio zwiera lub rozwiera zestyki przekaźników wyjściowych. W stanie RUN moŝna takŝe przeprowadzić parametryzację programu, tzn. wprowadzić wartości parametrów bloków programu (np. wartości opóźnień funkcji czasowych, wartości graniczne liczników zdarzeń itp.). Przejście do trybu parametryzacji następuje w wyniku jednoczesnego naciśnięcia klawiszy ESC i OK. Parametryzację bloków programu moŝna równieŝ przeprowadzić w stanie zatrzymania wykonywania programu STOP, po przełączeniu do trybu programowania. 6. PROGRAMOWANIE STEROWNIKA LOGO! Programowanie zadania sterowania w przypadku sterownika LOGO! odbywa się metodą syntezy schematu logicznego układu sterowania (język schematów blokowych). Program tworzy się z wykorzystaniem szeregu symboli bramek logicznych, przerzutników i innych bloków funkcyjnych, wybieranych z odpowiednich menu. Podstawowymi pojęciami języka programowania sterownika LOGO! są zaciski i bloki. Zbiór zacisków (ang. connectors) oznaczono w panelu obsługi sterownika symbolem Co. Obejmuje on następujące symbole: wejść: I1, I2, I3, I4, I5, I6, wyjść: Q1, Q2, Q3, Q4, zera logicznego: lo (ang. low), jedynki logicznej: hi (ang. high), braku podłączenia: x. Wejścia i wyjścia mogą być w stanie lo lub hi. Stan lo oznacza, Ŝe na wejściu (wyjściu) nie ma napięcia; stan hi oznacza, Ŝe jest napięcie. JeŜeli nie zamierza się wykorzystać danego wejścia bloku, oznacza się je jako x. Zbiór bloków obejmuje róŝnego rodzaju bloki funkcjonalne (tablice 1 i 2). Podzbiór bloków realizujących podstawowe funkcje logiczne oznaczono symbolem GF (ang. general functions). Podzbiór pozostałych bloków, realizujących bardziej złoŝone algorytmy pracy, zwane funkcjami specjalnymi, oznaczono symbolem SF (ang. specjal functions). KaŜdy blok z chwilą wstawienia go do programu jest zaopatrywany w indywidualny numer identyfikacyjny. Numer bloku, wyświetlanego w danej chwili na wyświetlaczu, znajduje się w prawym górnym rogu wyświetlacza. Numery identyfikacyjne wykorzystuje się do tworze- 7
nia połączeń pomiędzy blokami programu. Zbiór bloków naleŝących do programu (zaopatrzonych w numery identyfikacyjne) oznaczono symbolem BN (ang. block numbers). Tabl. 1. Symbole bloków realizujących funkcje specjalne 8
Tabl. 2. Symbole bloków realizujących wybrane funkcje specjalne Uwagi: 1. We wszystkich funkcjach wejście R ma najwyŝszy priorytet. 2. Z chwilą zaniku zasilania stan liczników zdarzeń i czasomierzy jest kasowany. 3. Zakres nastaw czasu w funkcjach z parametrem T wynosi od 0,05s do 99:59h. 9
6.1. PRZYKŁADOWY PROGRAM Przed przystąpieniem do programowania sterownika opracowuje się algorytm realizacji zadania sterowania, zwykle w postaci schematu bramkowego lub przekaźnikowego, które przetwarza się w układ dostępnych w menu sterownika bloków. RozwaŜmy zadanie sterowania dwustanowym elementem wykonawczym E1 (moŝe nim być np. lampa, silnik, grzałka, cewka zaworu rozdzielającego), które moŝe być zrealizowane jako układ stykowo-przekaźnikowy, przedstawiony na rys. 4a. a) b) Rys. 4. Przykładowy schemat układu stykowo-przekaźnikowego a) i odpowiadający mu schemat blokowy w języku programowania sterownika LOGO! b) ZaleŜność stanu elementu E1 od stanu elementów wejściowych S1, S2 i S3 wyraŝa równanie logiczne E1 = ( S1+ S2) S3 Do realizacji tej zaleŝności z wykorzystaniem sterownika LOGO! niezbędne są tylko jego dwa bloki logiczne: blok alternatywy i blok koniunkcji. Zakładając, Ŝe sygnały elementów wejściowych S1, S2 i S3 będą wprowadzone odpowiednio na wejścia I1, I2 i I3 sterownika oraz, Ŝe do sterowania elementem wykonawczym E1 zostanie wykorzystane wyjście Q1 sterownika, schemat układu wykorzystujący symbole LOGO! ma postać jak na rys. 4b. Schemat ten jest programem, który naleŝy wprowadzić do pamięci sterownika w celu realizacji postawionego zadania. Procedura wprowadzania programu do pamięci sterownika zostanie przedstawiona na przykładzie jeszcze prostszego zadania sterowania. 6.2. WPROWADZANIE I EDYCJA PROGRAMU ZałóŜmy, Ŝe sterownik nie zawiera programu; po włączeniu zasilania na wyświetlaczu pojawi się komunikat: No Program NaleŜy wówczas przełączyć LOGO! w tryb programowania, naciskając jednocześnie trzy klawisze:, i OK. (Konieczność wciskania trzech klawiszy zabezpiecza przed przypadkowym wprowadzeniem sterownika w tryb programowania.) W wyniku tego pojawi się główne menu LOGO!: >Program PC/Card Start 10
Pierwszym znakiem w pierwszym wierszu jest kursor >, przesuwany przy uŝyciu klawiszy i. Aby przejść do menu programowania naleŝy kursor ustawić przy opcji Program i wcisnąć przycisk OK. W wyniku tego pojawia się menu programowania, w którym kursor naleŝy ustawić przy pozycji Edit Program. >Edit Program Clear Prg Set Clock Po wciśnięciu klawisza OK, sterownik prezentuje pierwsze wyjście Q1: Wykorzystując klawisze i, moŝna przywoływać inne wyjścia sterownika. W tym stanie rozpoczyna się proces wprowadzania konkretnego programu do pamięci sterownika. Przykład Niech zadanie sterowania dwustanowym elementem wykonawczym E1, odpowiada układowi stykowo-przekaźnikowemu, przedstawionemu na rys. 5a. a) b) Rys. 5. Schemat układu stykowo-przekaźnikowego a) i odpowiadający mu schemat blokowy w języku programowania sterownika LOGO! b) ZaleŜność stanu elementu E1 od stanu elementów wejściowych S1i S2 wyraŝa równanie logiczne E 1 = S1+ S2 Do realizacji tej zaleŝności, w przypadku wykorzystania sterownika LOGO!, niezbędny jest tylko jeden blok alternatywy. Zakładając, Ŝe sygnały elementów wejściowych S1 i S2 będą wprowadzone odpowiednio na wejścia I1 i I2 sterownika oraz, Ŝe do sterowania elementem wykonawczym E1 zostanie wykorzystane wyjście Q1 sterownika, do pamięci sterownika naleŝy wprowadzić program jak na rys. 5b. Po wybraniu wyjścia Q1, w symbolu Q1 zostało podkreślone Q. Podkreślenie to jest kursorem wskazującym aktualną pozycję w programie. Kursor ten moŝna przemieszczać wykorzystując klawisze,,,. 11
Naciskając klawisz, przesuwamy kursor w lewą stronę. NaleŜy teraz wprowadzić symbol bloku alternatywy (OR) z listy GF. Aby przejść do trybu edycji, naciskamy przycisk OK, w wyniku czego kursor pojawia się na tle migającego szarego prostokąta i sterownik wymienia nazwę pierwszej listy Co (zbioru zacisków). Wciskając klawisz, wybieramy listę GF (funkcje podstawowe) i wciskamy OK. LOGO! wyświetli pierwszy blok z listy GF; jest to blok koniunkcji (AND). Wciskając klawisze lub, poszukujemy potrzebnego bloku alternatywy (OR). Po jego ukazaniu wciskamy OK, zatwierdzając w ten sposób jego wprowadzenie do programu; pojawia się obraz z kursorem, wskazującym na potrzebę zadeklarowania sposobu wykorzystania wejścia. KaŜde wejście bloku moŝe być wykorzystane do połączenia z innym blokiem lub z wejściem sterownika lub teŝ pozostać niewykorzystane. W tym przypadku chcemy połączyć wejście bloku z wejściem I1 sterownika. Wykorzystując klawisze lub poszukujemy listy Co i wybór listy potwierdzamy przyciskiem OK. Pojawia się pierwszy znak z listy Co znak x, oznaczający, Ŝe wejście jest nie uŝywane. Wykorzystując klawisze lub poszukujemy wejścia I1 i zatwierdzamy wybór przyciskiem OK. Przy pierwszym wejściu bloku pojawia się symbol wejścia I1, a kursor przeskakuje do kolejnego wejścia bloku. 12
Postępując analogicznie naleŝy do bloku podłączyć wejście sterownika I2. Trzeciemu wejściu bloku naleŝy przyporządkować znak x, co w tym przypadku kończy wprowadzanie programu. UŜywając klawiszy, moŝna przeglądać zawartość programu. Po zakończeniu wprowadzania programu naleŝy wyjść z trybu programowania i przełączyć sterownik w tryb RUN (praca). W tym celu, naciskając klawisz ESC naleŝy wrócić do menu programowania, ponownie naciskając ESC - wrócić do menu głównego, w menu głównym ustawić kursor > przy pozycji START i nacisnąć klawisz OK. W przypadku prawidłowo sformułowanego programu sterownik podejmuje jego realizację załącza lub wyłącza obwód wyjściowy w zaleŝności od stanu sygnałów wejściowych. W trybie RUN wejścia i wyjścia wysterowane w stan 1 są podświetlone. Wciśnięcie klawisza ESC w celu wyjścia z trybu programowania jest związane ze sprawdzeniem poprawności programu. W przypadku istnienia nieprawidłowości, wciśnięcie ESC nie powoduje przejścia do menu programowania, natomiast sterownik wskazuje nieprawidłowości programu, oznaczając je symbolem? oraz rodzaj nieprawidłowości, jak w poniŝszym przykładzie. 6.3. KOREKTY PROGRAMU Podczas wprowadzania programu moŝna powracać do poprzedniego kroku, wciskając klawisz ESC. Wprowadzanie zmiany wejścia Aby zmienić oznaczenie wejścia naleŝy: - naprowadzić kursor na pozycję podlegającą zmianie, - przejść do trybu edycji i potwierdzić klawiszem OK., - wprowadzić nowe oznaczenie wejścia. Kasowanie bloku Przykład: Aby w powyŝszym programie skasować blok B02 i połączyć bezpośrednio blok B01 z wyjściem Q1, naleŝy: - naprowadzić kursor na wejście Q1, tj. pod symbol B02 jak poniŝej, 13
- nacisnąć klawisz OK, - wybrać listę BN i wcisnąć OK, - z listy BN wybrać B01 i wcisnąć OK. Kasowanie grupy bloków Przykład: Aby usunąć z powyŝszego programu bloki B01 i B02 naleŝy: - naprowadzić kursor na wejście Q1, tj. pod symbol B02 i wcisnąć OK, - wybrać listę Co i wcisnąć OK, - z listy Co wybrać x i wcisnąć OK. 7. PRZYKŁADOWY PRZEBIEG ĆWICZENIA 1. Zapoznanie z budowa i sposobem obsługi stanowiska laboratoryjnego. 2. Zapoznanie z panelem obsługi LOGO!. 3. Praktyczna realizacja zadania opisanego w P. 6.2. 4. Zaprogramowanie układu kombinacyjnego zadanego przez prowadzącego. 5. Zaprogramowanie i realizacja układu sterowania napędami elektropneumatycznymi wg rys. 6 a i b. W obu przypadkach tłoczysko siłownika powinno wysunąć się po chwilowym podaniu sygnału START i po osiągnięciu skrajnego połoŝenia samoczynnie wycofać się. Wysuwanie tłoczyska moŝe być spowodowane sygnałem START tylko wtedy, kiedy jest ono w pozycji wycofanej. Do wykrywania pozycji tłoczyska wykorzystać przekaźniki stykowe lub czujniki bezdotykowe. a) b) Rys. 6. Rysunek do zadania 5 14
8. SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA W sprawozdaniu z ćwiczenia naleŝy zamieścić zrealizowane programy sterownika. 9. LITERATURA Podręcznik LOGO!. SIEMENS, wyd. 12/96 15