MAKOWSKI Marcin 1 NOWOCIEŃ Artur 2 LUFT Mirosław 3 PIETRUSZCZAK Daniel 4 Zastosowania sterowników PLC w modelowaniu sterowania przepływem cieczy WSTĘP Układy hydrauliczne stosowane są z powodzeniem w przemyśle ciężkim, okrętowym, budownictwie i lotnictwie. Szerokie zastosowanie układów hydraulicznych związane jest z licznymi zaletami tych układów, z których do najważniejszych można zaliczyć: dużą wydajność energetyczną, np. silnik hydrauliczny w porównaniu z silnikiem elektrycznym o tej samej mocy i prędkości obrotowej jest dużo lżejszy i zajmuje dużo mniejszą przestrzeń, łatwość sterowania podstawowymi parametrami ruchowymi, czyli możliwość łatwego uzyskania dużych przełożeń w sposób ciągły i łatwość zmiany ruchu obrotowego na prostoliniowy, małą bezwładność układu, dzięki której można dokonywać częstych i gwałtownych zmian procesów przejściowych, łatwość automatyzacji i zdalnego sterowania. Lekkie i małogabarytowe elementy układu hydraulicznego mogą przenosić znaczne siły. Precyzyjna, szybka i bezstopniowa zmiana prędkości siłowników i silników hydraulicznych, jest również jedną z zalet, dzięki której elementy hydrauliczne znalazły zastosowanie wszędzie tam gdzie potrzebne są duże siły (nawet do kilku ton) i stosunkowo duża prędkość działania. Mnogość zastosowań układów hydraulicznych w przemyśle, która związana jest z ich zaletami, stała się motywacją do stworzenia stanowiska dydaktycznego do badania układów hydraulicznych z zastosowaniem sterownika PLC. Zastosowanie stanowiska w celach dydaktycznych umożliwia nauczenie się programowania sterowników PLC oraz pokazuje obszar zastosowań układów hydraulicznych w różnych aplikacjach. System S7-1200 jest podstawą nowego systemu automatyki, przeznaczonego do wykonywania zadań zarówno prostych, jak i wymagających precyzji. Zapewnia elastyczność i skuteczność sterowania rozmaitymi urządzeniami w ramach wykonywania zadań automatyki. Bogata lista rozkazów czynią S7 1200 doskonałym narzędziem sterującym, odpowiednim do różnorodnych aplikacji [2], [6]. 1. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA STANOWISKA LABORATORYJNEGO Stanowisko laboratoryjne przeznaczone jest do nauki programowania sterowników firmy SIEMENS S7-1200 w aplikacji współpracy pomp wodnych z elektrozaworami. Zestaw składający się ze sterownika PLC, pomp wodnych, elektrozaworów, zadajników sygnałów w postaci przycisków umożliwia przeprowadzenie szeregu ćwiczeń laboratoryjnych, dzięki którym możliwe jest poznanie języków programowania sterowników PLC SIEMENS S7-1200, w tym: języka schematów drabinkowych LD (Ladder Diagram), języka schematów blokowych FBD (Function Block Diagram), 1 Uniwersytet Technologiczno Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego, Wydział Transportu i Elektrotechniki, 26-600 Radom, ul. Malczewskiego 29, e-mail: marcinmakowski@elektronik.edu.pl student studiów doktoranckich 2 Uniwersytet Technologiczno Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego, Wydział Transportu i Elektrotechniki, 26-600 Radom, ul. Malczewskiego 29, e-mail: a.nowocien@uthrad.pl student studiów doktoranckich 3 Uniwersytet Technologiczno Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego, Wydział Transportu i Elektrotechniki, 26-600 Radom, ul. Malczewskiego 29, e-mail: m.luft@uthrad.pl 4 Uniwersytet Technologiczno Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego, Wydział Transportu i Elektrotechniki, 26-600 Radom, ul. Malczewskiego 29, e-mail: d.pietruszczak@uthrad.pl 4106
języka strukturalnego wysokiego poziomu SCL (Structured Control Language). Uniwersalność zestawu umożliwia m.in.: dozowanie cieczy do zbiorników, mieszanie dwóch cieczy, poznanie metody sekwencyjnego załączania pomp / zaworów, zastosowanie w układzie liczników zdarzeń, poznanie sposobu wykorzystania elementów czasowych, zastosowanie funkcji logicznych przy sterowaniu układami wykonawczymi, realizację algorytmu opóźnionego załączania, poznanie metody pracy układu w systemie cyklicznym, programowanie sterownika PLC poprzez protokół komunikacyjny PROFINET. Zestaw pokazany na rysunku 1, przygotowany został do symulacji układów sterowania stosowanych w przemyśle. Stanowisko wyposażono w sterownik PLC S7-1200, którego zadaniem jest sterowanie pompami i zaworami według ustalonych założeń, co w efekcie powoduje przepływ cieczy między zbiornikami. Sterownik zasilany jest napięciem 24V DC, natomiast pompy i zawory z zasilacza o napięciu stałym 12V. Rys. 1. Stanowisko dydaktyczne służące do sterowania przepływem cieczy [opracowanie własne] 2. STEROWNIK PLC FIRMY SIEMENS S7-1200 Stanowisko wyposażono w nowoczesny sterownik modułowo kompaktowy firmy SIEMENS S7 1200 pokazany na rysunku 2. 4107
Rys. 2. Widok ogólny sterownika SIEMENS S7-1200 [2] Sterownik S7-1200 wyposażony został w jednostkę centralną CPU 1214, posiada 14 wejść cyfrowych (24V DC), 2 wejścia analogowe napięciowe (0-10V DC), 10 wyjść cyfrowych oraz 1 wyjście analogowe ( 10V DC lub 0-20mA). Sterownik zasilany jest napięciem 24V DC. Do komunikacji z innymi sterownikami lub komputera zastosowany został protokół komunikacyjny PROFINET. 3. NARZĘDZIE PROGRAMISTYCZNE TIA PORTAL Sterownik S7-1200 programowany jest w środowisku TIA Portal (Totally Integrated Automation Posrtal). TIA Portal oferuje wszystkie funkcje potrzebne do implementacji zadań automatyzacji zgromadzone w jednej, multiprogramowej platformie. TIA Portal jest wspólnym środowiskiem pracy dla zintegrowanej inżynierii w różnych systemach SIMATIC, udostępnionym w ramach jednej struktury (framework). Wszystkie wymagane pakiety oprogramowania, począwszy od konfiguracji sprzętu i programowania, do wizualizacji procesu są zintegrowane w kompletną, inżynierską strukturę (framework). [8] Okno przykładowego programu TIA Portal pokazano na rysunku 3. Rys. 3. Okno aplikacji TIA Portal [opracowanie własne] Narzędzie TIA Portal umożliwia zaprogramowanie sterownika w jednym z trzech języków programowania: drabinkowym LD, schematów blokowych FBD lub strukturalnym wysokiego 4108
poziomy SCL. Oprogramowanie udostępnia wybór elementów logicznych, liczników, czasomierzy, dzięki którym możliwe jest zastosowanie algorytmów: załączania z podtrzymaniem, sekwencyjnego załączania, opóźnionego załączania / wyłączania. Program wsadowy przesyłany jest z komputera do sterownika za pomocą protokołu komunikacyjnego PROFINET. Narzędzie TIA Portal wraz z zestawem dydaktycznym umożliwia symulację procesów przemysłowych. 4. PRZYKŁADY REALIZACJI ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Na rysunku 4 przedstawiono schemat podłączeń układów wejść / wyjść do sterownika PLC S7-1200. Rys. 4. Schemat podłączenia sygnałów wejściowych i wyjściowych do sterownika S7-1200 [opracowanie własne] W tabeli 1 przedstawiono opis sposobu podłączenia wejść / wyjść do sterownika S7 1200 w prezentowanym stanowisku dydaktycznym. Tab. 1. Podłączenia wejść oraz wyjść do sterownika S7-1200 [opracowanie własne] WEJŚCIA Adres Opis Symbol Komentarz I0.0 Przycisk 1 (patrząc od lewej strony) P1 Zestyk NO I0.1 Przycisk 2 P2 Zestyk NO I0.2 Przycisk 3 P3 Zestyk NO I0.3 Przycisk 4 P4 Zestyk NO I0.4 Przycisk 5 P5 Zestyk NO I0.5 Przycisk 6 P6 Zestyk NO I0.6 Czujnik dolny zbiornika 1 (patrząc od lewej strony) CD1 Zestyk NO I0.7 Czujnik górny zbiornika 1 CG1 Zestyk NO I1.0 Czujnik dolny zbiornika 2 CD2 Zestyk NO I1.1 Czujnik górny zbiornika 2 CG2 Zestyk NO I1.2 Czujnik dolny zbiornika 3 CD3 Zestyk NO I1.3 Czujnik środkowy zbiornika 3 CS3 Zestyk NO I1.4 Czujnik górny zbiornika 3 CG3 Zestyk NO WYJŚCIA Q0.0 Zawór 1 zbiornika 1 Z1 Q0.1 Zawór 2 zbiornika 2 Z2 4109
Q0.2 Zawór 3 zbiornika 3 Z3 Q0.4 Pompa wodna 1 zbiornika 1 PW1 Q0.5 Pompa wodna 2 zbiornika 2 PW2 Q0.6 Pompa wodna 3 zbiornika 3 PW3 Q0.7 Dioda 1 na panelu przycisków (patrząc od lewej strony) D1 Q1.0 Dioda 2 na panelu przycisków (patrząc od lewej strony) D2 Q1.1 Dioda 3 na panelu przycisków (patrząc od lewej strony) D3 Ćwiczenie 1 Sterowanie przepływem cieczy napełnianie zbiornika cieczą pochodzącą z dwóch zbiorników Warunki początkowe: Zbiorniki 1 i 2 napełnione są cieczami o dwóch różnych kolorach. Zbiornik 3 jest pusty. Wszystkie zawory są zamknięte i pompy wyłączone. Zadanie polega na napełnieniu 3 zbiornika cieczami pochodzącymi z dwóch napełnionych zbiorników o różnych kolorach cieczy. Naciśnięcie przycisku P1 powoduje uruchomienie pomp PW1 oraz PW2, a także otworzenie zaworu Z3. Po czasie t = 10 sekund następuje wyłączenie pomp PW1 oraz PW2 odprowadzających ciecze ze zbiorników 1 i 2, a po czasie t = 3 sekundy (liczonym od momentu wyłączenia pomp) następuje zamknięcie zaworu Z3 doprowadzającego ciecz do zbiornika 3. W czasie działania pomp PW1 oraz PW2 pulsują odpowiednio z częstotliwością 1 sekundy diody D1 i D2. Dioda D3 zostaje załączona gdy zawór Z3 jest otwarty. Naciśnięcie przycisku P2 powoduje natychmiastowe wyłączenie pomp i po czasie 3 sekund zamknięcie wszystkich zaworów. Ćwiczenie 2 Praca cykliczna pomp Warunki początkowe: Zbiorniki 1 i 2 napełnione są cieczami o dwóch różnych kolorach. Poziom cieczy w zbiornikach 1 i 2 jest poniżej maksimum. Zbiornik 3 jest pusty. Wszystkie zawory są zamknięte i pompy wyłączone. Naciśnięcie przycisku P1 powoduje załączenie pomp PW1 i PW2 oraz otworzenie zaworu Z3. Jeżeli poziom cieczy w zbiorniku 3 osiągnie wartość maksymalną zostaje zamknięty zawór Z3. Jednocześnie zostaje otworzony zawór Z1 oraz zostaje załączona pompa PW3 i wyłączona pompa PW1. Jeżeli poziom cieczy w zbiorniku 1 osiągnie wartość maksymalną zostaje zamknięty zawór Z1. Jednocześnie zostaje otworzony zawór Z2 oraz zostaje załączona pompa PW1 i wyłączona pompa PW2. Jeżeli poziom cieczy w zbiorniku 2 osiągnie wartość maksymalną zostaje zamknięty zawór Z2. Jednocześnie zostaje otworzony zawór Z3 oraz zostaje załączona pompa PW2 i wyłączona pompa PW3. W przypadku, gdy poziom cieczy osiągnie w dowolnym zbiorniku wartość minimum zostaje wyłączona pompa odprowadzająca ciecz z tego zbiornika i otwiera się zawór doprowadzający ciecz do tego zbiornika. Działanie każdej pompy sygnalizowane jest świeceniem diod D1, D2 oraz D3. Naciśnięcie przycisku P2 powoduje natychmiastowe wyłączenie pomp i po czasie 3 sekund zamknięcie wszystkich zaworów. 4110
WNIOSKI Duża dynamika układów hydraulicznych, w porównaniu do silników elektrycznych i pneumatycznych, wymusza konieczność badań laboratoryjnych w celu przedstawienia aplikacji stosowanych w przemyśle. Poprzez ćwiczenia, przedstawione w artykule można nabyć umiejętności programowania sterownika PLC w aplikacjach związanych z układami hydraulicznymi, licznie stosowanymi w obiektach przemysłowych. Podczas ćwiczeń laboratoryjnych istnieje możliwość zaobserwowania współpracy elementów hydraulicznych występujących w rzeczywistych obiektach produkcyjnych. Zestaw urządzeń wchodzących w skład stanowiska, umożliwia realizację ćwiczeń wprowadzających do programowania sterownika PLC w aplikacjach związanymi z układami hydraulicznymi. Streszczenie W artykule przedstawiono możliwość zastosowania sterownika PLC do sterowania systemami hydraulicznymi, współpracującymi ze sobą, w oparciu o elementy zarówno elektryczne, jak i hydrauliczne. Stworzony program w środowisku TIA PORTAL przesyłany jest do sterownika PLC za pomocą protokołu PROFINET. Stanowisko dydaktyczne wykonano w oparciu o sterownik PLC firmy SIEMENS S7 1200 oraz komputer z oprogramowaniem TIA Portal Totally Integrated Automation. Zaprezentowano przykładowe ćwiczenia laboratoryjne symulujące działanie rzeczywistych układów stosowanych w obiektach produkcyjnych. Uniwersalność stanowiska daje możliwość symulacji (wielu innych niż zaproponowane w opracowaniu) układów sterowania stosowanych w przemyśle. Applications of PLC in the modeling of fluid flow control Abstract This paper presents the possibility of using a PLC to control the hydraulic systems, cooperating with each other, based on the components of both electrical and hydraulic. Created a program in an environment TIA PORTAL is sent to the PLC via the PROFINET protocol. Didactic position was made based on SIEMENS PLC S7 1200 and computer software Portal Totally Integrated Automation. Examples of laboratory exercises simulating the effect of real systems used in the production facilities are also given. The versatility of the position allows the simulation (many other than those proposed in the paper) control systems used in the industry. BIBLIOGRAFIA 1. Nowocień A., Makowski M., Pietruszczak D.: Przykłady zastosowania sterowników PLC w modelowaniu energooszczędnych układów sterowania, ISSN 1232-3829, TTS 10(2013), 2013 2. Internet: http://www.siemens.com 3. Internet: http://www.automatyka.siemens.pl 4. Simatic S7-1200. Easy Book Manual. Siemens Industry Sector, Norymberga 2012 5. Simatic S7-1200. Pierwsze kroki z S7 1200 Podręcznik. Siemens Sektor Industry, Warszawa 2011 6. Simatic S7. Programowalny sterownik S7-1200. Podręcznik systemu. Siemens. Warszawa 2009 7. Simatic STEP7. Podstawy programowania w STEP7. Siemens Sektor Industry IA AS, Warszawa 2010 8. TIA Portal Simatic STEP 7 Professional V11. Przykładowy projekt Filling Station Pierwsze kroki. Siemens, Warszawa 2012 4111