Systemy Czasu Rzeczywistego (SCR) Sterowniki PLC szybkie wprowadzenie, oraz SIEMENS S7-1200 podstawowe informacje Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Kierunek: Automatyka i Robotyka Studia stacjonarne I stopnia: rok II, semestr IV Opracowanie: dr inż. Tomasz Rutkowski Katedra Inżynierii Systemów Sterowania SCR 2015 1
Czym jest PLC? PLC (ang. Programmable Logic Controler) jest komputerem przemysłowym, który pod kontrolą systemu operacyjnego czasu rzeczywistego: zbiera pomiary za pomocą modułów wejściowych z cyfrowych i analogowych czujników oraz urządzeń pomiarowych na bazie zebranych danych o sterowanym procesie, wykonuje program użytkownika zawierający zakodowany algorytm sterowania oraz przetwarzania danych generuje sygnały sterujące odpowiednie do wyników obliczeń algorytmów sterowania i przekazuje je poprzez moduły wyjściowe do elementów i urządzeń wykonawczych dodatkowo PLC ma możliwość: transmisji danych za pomocą modułów i łączy komunikacyjnych realizacji funkcji diagnostyki programowej i sprzętowej SCR 2015 2
Głowni producenci PLC GE Fanuc Siemens, Allen-Bradley, Omron, Mitsubishi, Schneider SAIA SCR 2015
Zanieczyszczenia Szeroki zakres temperatur Wilgotność Hałas Zakłócenia elektromagnetyczne Drgania, wstrząsy, uderzenia Zapylenie Duże odległości Duża liczba urządzeń Wycieki Naprężenia mechaniczne Opary, oleje Warunki przemysłowe SCR 2015
Cechy sterowników programowalnych Wysoka niezawodność Praca w warunkach przemysłowych Praca w czasie rzeczywistym Łatwość programowania Elastyczność Uniwersalność Skalowalność Możliwości komunikacyjne SCR 2015
Sterowniki PLC a Normy Bujny rozwój oraz popularność sterowników PLC w przemyśle Rozwiązania sterowników PLC proponowane przez różnych producentów różnią się między sobą, co dla użytkowników i projektantów systemów automatyki stanowiło dużą niedogodność i powodowało koniczność dostosowywania do różnych wymagań Stąd pierwsze próby oraz przekonanie środowiska (producenci i użytkownicy) o konieczności ich standaryzacji SCR 2015 6
Sterowniki PLC a Normy -Norma IEC 1131 W 1993 Międzynarodowa Komisja Elektrotechniki (ang. International Electrotechnical Commission - IEC) wypracowała normę IEC 1131 Programmable Controllers Norma IEC 1131 składała się z pięciu części: Część 1: Informacje ogólne (ang. General Information) Część 2: Sprzęt i wymagania testowe (ang. Equipment Requirements and Tests) Część 3: Języki programowania (ang. Programing Languages) Część 4: Wytyczne dla użytkownika (ang. User Guidelines) Część 5: Wymiana informacji (ang. Messaging Service Specifications) SCR 2015 7
Sterowniki PLC a Normy -Norma IEC 61131 W 1998 IEC wypracowała normę IEC 61131 Programmable Controllers Norma IEC 61131 stanowi kontynuację normy IEC 1131 oraz szeregu innych standardów Norma IEC 61131 odwołuje się do 10 innych norm: IEC 50, IEC 559, IEC 617-12, IEC 617-13, IEC 848, ISO/AFNOR, ISO/IEC 646, ISO 8601, ISO 7185, ISO 7498 W Europie norma IEC 61131 została przyjęta bez zmian i oznaczona EN 61131 SCR 2015 8
Sterowniki PLC a Normy -Norma IEC 61131 Norma IEC 61131 składała się z następujących części: Część 1: Postanowienia ogólne (ang. General Information) Część 2: Wymagania i badania dotyczące sprzętu (ang. Equipment Requirements and Tests) Część 3: Języki programowania (ang. Programing Languages) Część 4: Wytyczne dla użytkownika (ang. User Guidelines) - statustr Część 5: Wymiana informacji (ang. Communications) SCR 2015 aktualnie: Messaging service specification Część 6: Bezpieczeństwo funkcjonalne (ang. Functional Safety) Część 7: Programowanie sterowania z wykorzystaniem zbiorów rozmytych (ang. Fuzzy Control Programming) Część 8: Wytyczne do implementacji języków programowania (ang. Guidelines for the Application and Implementation of Programming Languages) - status TR Część 9: Single-drop digital communication interface for small sensors and actuators (SDCI) (status DRAFTU) 9
Czym jest PLC? W normie IEC 61131-1 sterownik programowalny zdefiniowano 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 SCR 2015 10
Czym jest PLC? W normie IEC 61131 do oznaczenia sterowników programowalnych wykorzystuje się skrót: PC Programmable Controller PLC Logic w nazwie ma jedynie znaczenie historyczne, dodatkowo odróżnienie od: PC Personal Computer SCR 2015 11
Podstawowy podział sterowników PLC Kompaktowe Modułowe SCR 2015
Moduły sterowników PLC Komunikacyjne: RS232, RS485, CAN, Ethernet, Wejść dyskretnych: 12 VDC, 24 VDC, 110 250 VAC, szybkie liczniki Wyjść dyskretnych: przekaźnikowe, tranzystorowe, PWM (ang. Pulse Width Modulation); Wejść analogowych: 0 10 V, -10 10 V, 0 20 ma, 4 20 ma Wyjść analogowych: prądowych, napięciowych Sterowniki serwonapędów Specjalizowane: np.: zawierające układy do pomiaru temperatury z wykorzystaniem termopar i czujników Pt100 i inne Symulatory wejść. SCR 2015
Ogólna struktura funkcjonowania systemu sterowania PLC (IEC 61131-1) Inne systemy Funkcje zasilania Funkcje komunikacyjne Funkcje przetwarzania sygnałów Wykonywanie programu użytkowego Funkcje interfejsu CZŁOWIEK - MASZYNA Funkcje programowania testowania i usuwania błędów Funkcje systemu operacyjnego Funkcje pamięci programu użytkownika Funkcje pamięci danych użytkownika Funkcje interfejsu czujników i urządzeń wykonawczych Maszyna / Proces SCR 2015 14
Coś więcej o IEC 61131-3 Część 3 normy IEC 61131 dotyczy: sposobu pracy sterownika typowo jako cykl pracy typów danych języków programowania SCR 2015 15
Start, inicjalizacja Stop SCR 2015 Coś więcej o IEC 61131-3 - cykl pracy sterownika Obsługa wejść zapisanie obrazu wejść sterownika do odpowiedniego obszaru pamięci wewnętrznej sterownika związanej z wejściami Wykonanie programu sterującego użytkownika Obsługa wyjść program użytkownika operuje na wartościach zapisanych w pamięci sterownika (czyta obszary pamięci wejściowej, czyta/modyfikuje obszary pamięci wyjściowej, czyta/modyfikuje obszary pamięci ogólnego przeznaczenia), wyniki swojej pracy przypisanie stanu zmiennych z obszaru pamięci wyjściowej fizycznym wyjściom sterownika Diagnostyka, komunikacja 16
Coś więcej o IEC 61131-3 - cykl pracy sterownika Praca PLC w trybie stałego czasu cyklu umożliwia zastosowanie całej gamy dyskretnych algorytmów sterowania (opisanych równiami różnicowymi czy transformatą z) gwarancja zakończenia przetwarzania danych w odpowiednim czasie mechanizm okresowego (z zadanym okresem) przetwarzania danych SCR 2015
- cykl pracy sterownika - implementacja opóźnień Na potrzeby implementacji algorytmów dyskretnych konieczna jest znajomość przeszłych wartości sygnałów np.: e(k-1), e(k-2) u(k-1), u(k-2) y(k-1) Przy cyklicznym działaniu sterownika, aktualna wartość wybranej wielkości będzie w kolejnym cyklu wartością opóźnioną o jeden okres SCR 2015
- cykl pracy sterownika - implementacja opóźnień Początek cyklu e := y z ; // wyliczona aktualna wartość uchybu e_opoznione := e; // w następnym cyklu pod zmienną e_opoznione // znajdzie się wartość aktualnego uchybu Koniec cyklu SCR 2015
SCR 2015 Coś więcej o IEC 61131-3 - Podstawowe typy danych
SCR 2015 Coś więcej o IEC 61131-3 - Podstawowe typy danych
Coś więcej o IEC 61131-3 - języki programowania W część 3 normy IEC 61131 określono dwie podstawowe grupy języków programowania: języki tekstowe: lista rozkazów (IL), tekst strukturalny (ST) języki graficzne: funkcjonalny schemat blokowy (FBD), schemat drabinkowy (LD) Część 3 normy IEC 61131 przedstawia ujednoliconą koncepcję programowania sterowników PLC tak aby użytkownik korzystając z wprowadzonych w normie reguł, był w stanie programować bez większych trudności różne systemy PLC SCR 2015 22
Coś więcej o IEC 61131-3 -języki programowania tekst strukturalny (ST) -operatory SCR 2015
Coś więcej o IEC 61131-3 -języki programowania tekst strukturalny (ST) instrukcje przykłady SCR 2015
Siemens S7-1200 - podstawowe informacje - SCR 2015
Siemens S7-1200 - typy sterowników sterownik zasilany napięciem zmiennym AC (85 264 VAC), wejścia zasilane napięciem stałym DC (24 VDC) wyjścia typu przekaźnikowego (5 30 VDC lub 5 250 VAC) dwa wejścia analogowe (niesymetryczne) o zakresie od 0 do 10 V (rozdzielczość 10 bitów); płytkę sygnałową wyposażona w jedno wyjście analogowe typu napięcie/prąd o zakresie +/- 10 V (rozdzielczość 12 bitów), lub 0 20 ma (rozdzielczość 11 bitów) SCR 2015 26
Siemens S7-1200 -cykl pracy SCR 2015 27
Siemens S7-1200 -tryby pracy CPU W trybie STOP CPU nie wykonuje programu i użytkownik może wczytać projekt. W trybie STARTUP wykonywany jest jednokrotnie startowy OB (jeśli istnieje). W fazie startowej trybu RUN nie są obsługiwane przerwania. W trybie RUN regularnie jest powtarzany cykl programu. Mogą się pojawiać przerwania i są przetwarzane w dowolnym miejscu cyklu programu. SCR 2015 28
Siemens S7-1200 - typy danych SCR 2015 Podstawowe typy danych, więcej w dokumentacji 29
Siemens S7-1200 - obszary pamięci SCR 2015 30
[1] Możliwestany:0 Inactive,1 Pretuning,2 Finetuning,3 Automatic,4-Manual Siemens S7-1200 - obszary pamięci - adresowanie Różne obszary pamięci mają swoje unikalne adresy Bezwzględny adres składa się z: identyfikatora obszaru pamięci (takich jak I obszar wejść, Q, - obszar wyjść, M obszar pamięci bitowej ogólnego przeznaczenia). rozmiaru danych dostępowych ( B dla bajtów, W dla słów (Word), D dla podwójnych słów (DW)) adresu danych. SCR 2015 Typ Adres Opis Bool %I0.0 Obraz wejścia procesu, bajt 0, bit 0 Bool %Q0.0 Obraz wyjścia procesu, bajt 0, bit 0 Real %MD1 Obszar pamięci bitowej, podwójne słowo, adres 1 Word %IW64 Obraz wejścia procesu, słowo, adres 64 Word %QW80 Obraz wyjścia procesu, słowo, adres 80 Int %MW5 Obszar pamięci bitowej, słowo, adres 5 DWord %MD7 Obszar pamięci bitowej, podwójne słowo, adres 7 31
[1] Możliwestany:0 Inactive,1 Pretuning,2 Finetuning,3 Automatic,4-Manual Siemens S7-1200 - obszary pamięci - adresowanie Lp. Typ zmiennej Liczba bitów Ilość zajmowanych rejestrów 1 Real 32 4 2 DWord 32 4 3 Word 16 2 4 Int 16 2 5 Bool 1 Jeden bit rejestru SCR 2015 32
Siemens S7-1200 - programowanie w SCL SCL (ang. Structured Control Language) to język tekstowy podobny do Pascala SCL jest implementacją języka ST (ang. Structured Text) z normy IEC 61131-3 SCR 2015 33
Siemens S7-1200 - programowanie w SCL SCR 2015 34
Koncepcja struktury programu użytkownika Siemens S7-1200 - programowanie w SCL SCR 2015 35
Siemens S7-1200 - programowanie w SCL Koncepcja struktury programu użytkownika (obsługa zdarzenia przerwania) SCR 2015 36
Siemens S7-1200 - programowanie w SCL Koncepcja struktury programu użytkownika (np. 3 poziomowe zagnieżdżanie) SCR 2015 37
Siemens S7-1200 - programowanie w SCL SCR 2015 38
Siemens S7-1200 -TIA PORTAL TIA Portal to środowisko projektowe systemów automatyki przemysłowej. W ramach jednolitego środowiska instalowane są różne narzędzia projektowe wymagane przez użytkownika takie jak oprogramowanie dla sterowników, paneli obsługi operatorskiej, czy napędów. Ułatwia tworzenie złożonych aplikacji, poprzez zarządzanie wspólną bazą danych projektowych, oraz projektowanie rozbudowanych sieci komunikacyjnych. Wbudowane narzędzia edycyjne przyspieszają tworzenie aplikacji przez programistę. Wyposażony w dwa widoki: Portalu (Portal view) i Projektu (Project view) SCR 2015 39
Siemens S7-1200 -TIA PORTAL SCR 2015 40
Siemens S7-1200 -TIA PORTAL SCR 2015 41
Siemens S7-1200 -programowanie w SCL TIA PORTAL Dodawanie bloków programu przez użytkownika SCR 2015 42
Siemens S7-1200 -programowanie w SCL TIA PORTAL Typy bloków OB do organizacji programu użytkownika SCR 2015 43
Siemens S7-1200 -programowanie w SCL TIA PORTAL SCR 2015 44
Siemens S7-1200 -programowanie w SCL TIA PORTAL SCR 2015 45
Siemens S7-1200 -programowanie w SCL TIA PORTAL Definicja wejść, wyjść i zmiennych utworzonego bloku funkcyjnego SCR 2015 46
Programowanie w SCL Siemens S7-1200 -programowanie w SCL TIA PORTAL SCR 2015 47
Siemens S7-1200 -programowanie w SCL TIA PORTAL Program przykładowego regulatora dwustanowego ze strefą nieczułości SCR 2015 48
Siemens S7-1200 -programowanie w SCL TIA PORTAL Dodanie utworzonego bloku funkcyjnego do bloku Main (metoda przeciągnij i upuść, automatycznie powstaje w projekcie blok danych) SCR 2015 49
Siemens S7-1200 -programowanie w SCL TIA PORTAL Zdefiniowanie i przypisanie zmiennych, wejść i wyjść do utworzonego bloku SCR 2015 50
Siemens S7-1200 -programowanie w SCL TIA PORTAL Name Data type Adress Opis 1 Temp Int %IW64 Temperatura w pomieszczeniu 2 Grzej Bool %Q0.0 Dyskretny sygnał sterujący z regulatora 3 Grzej_Analog Int %QW80 Analogowy sygnał sterujący z regulatora SCR 2015 51
Siemens S7-1200 -programowanie w SCL TIA PORTAL SCR 2015 52
Analogowe wejścia (AI) Siemens S7-1200 - specyfikacja analogowych wejść/wyjść SCR 2015 53
Analogowe wejścia (AI) Siemens S7-1200 - specyfikacja analogowych wejść/wyjść SCR 2015 54
Siemens S7-1200 - specyfikacja analogowych wejść/wyjść Napięciowa reprezentacja wejść analogowych (AI) SCR 2015 55
Siemens S7-1200 - specyfikacja analogowych wejść/wyjść Napięciowa reprezentacja wejść analogowych (AI) SCR 2015 56
Analogowe wyjścia (AQ) Siemens S7-1200 - specyfikacja analogowych wejść/wyjść SCR 2015 57
Siemens S7-1200 - specyfikacja analogowych wejść/wyjść Napięciowa reprezentacja wyjść analogowych (AQ) SCR 2015 58
Przykładowy system sterowania z ciągłym obiektem sterowania i cyfrowym regulatorem wyposażonym w układ wejść i wyjść analogowych SCR 2015
Schemat systemu sterowania z ciągłym obiektem i cyfrowym regulatorem Urządzenia wykonawcze Obiekt sterowania (w ogólności ciągły) Urządzenia pomiarowe D / A Moduł wyjść analogowych PLC A / D Moduł wejść analogowych Wartość zadana SCR 2015
Przetwarzanie sygnałów analogowych w PLC z użyciem modułów we/wy We analogowe PLC CPU Wy analogowe Sygnał analogowy np. -10V 10V 0 10V SCR 2015 0 20mA 4 20mA 0011111001000001110010 11 Sygnał cyfrowy %I %M %Q INT INT INT lub DINT lub REAL Sygnał analogowy np. -10V 10V 0 10V 0 20mA 4 20mA
Przetwarzanie sygnałów analogowych w PLC z użyciem modułów we/wy We analogowe PLC CPU Wy analogowe Sygnał analogowy np. 0011111001000001110010 11 Sygnał cyfrowy %I %M %Q Sygnał analogowy np. j.i. V lub ma j.i. = jednostki inżynierskie SCR 2015 j.i. działki (INT) j.i. działki (INT) lub po konwersji j. procesowe np. temperatura (REAL) j.i. działki (INT) j.i. V lub ma
Bibliografia IEC 61131-3 Programmable Controllers - Programing Languages PN-IEC 1131-1 Sterowniki programowalne Postanowienia ogólne PN-EN 61131-3 Sterowniki programowalne Języki programowania SIEMENS S7-1200 Easy book. 2012. Kasprzyk J. Programowanie sterowników przemysłowych. WNT 2006. www.plcopen.org SCR 2015 63
Dziękuję za uwagę!!! SCR 2015 64