Podstawy automatyki i robotyki AREW001 Wykład 1 Sterowniki PLC i ich obsługa Dr inż. Zbigniew Zajda Katedra Automatyki, Mechatroniki i Systemów Sterowania Wydział Elektroniki Politechniki Wrocławskiej
Program wykładu Pierwsze urządzenia automatycznie działające Miejsce regulatorów i sterowników w układach sterowania Co to jest PLC? Historia Przegląd technologii Klasyfikacja i konfigurowanie sterowników Realizacja funkcji przełączających przez sterowniki Realizacje przerzutników Przykłady programów aplikacyjnych dla sterowników
Definicja automatu Z greckiego automatos - samoczynny, czyli maszyna wykonująca cały cykl swojej pracy bez udziału człowieka.
Starożytna Grecja Najdawniejszy automat, o znanej zasadzie działania, został zbudowany w III wieku p.n.e. przez Ktesibiosa z Aleksandrii i zastosowany do regulacji przepływu wody w bardzo dokładnym i skomplikowanym zegarze wodnym.
zegar wodny Regulator miał za zadanie utrzymywać stały poziom wody w zbiorniczku BCDE przez odpowiednie regulowanie jej wpływu przez przewód A. Stały poziom wody w owym zbiorniczku zapewnia stałą szybkość wpływu wody do naczynia z pływakiem P.
minęło około 2250 lat.
Urządzenia mikrokomputerowe Miejsce regulatorów i sterowników w układach sterowania Sterowanie procesami dyskretnymi Sterowanie procesami ciągłymi Sterowniki przekaźnikowe Wejścia dyskretne Wyjścia dyskretne Sterowniki PLC Wejścia dyskretne Wyjścia dyskretne Regulatory ciągłe Wejścia analogowe Wyjścia analogowe Regulatory dwu- i trój-stawne Wejścia analogowe Wyjścia dyskretne Regulatory ciągłe Regulatory dwu- i trój-stawne Sterowniki PLC z wydzielonym modułem regulatora Wejścia dyskretne i ciągłe Wyjścia dyskretne i ciągłe Sterowniki PLC z nakładką programową regulatora Wejścia dyskretne i ciągłe Wyjścia dyskretne i ciągłe Sterowniki PAC i systemy DCS
Co to jest PLC? PLC (Programmable Logic Controller) programowalny sterownik logiczny (zwany niegdyś także sterownikiem sekwencyjnym ) Zasada działania: przeglądanie wejść i w zależności od ich stanu oraz wprowadzonego programu użytkownika ustawianie stanu wyjść dwustanowych (zał/wył) PLC jest w swej istocie komputerem przemysłowym ze specjalnie zaprojektowaną jednostką centralną oraz rozbudowanymi układami wejść/wyjść do kontaktu z zewnętrznymi urządzeniami przemysłowymi (urządzeniami polowymi)
Historia sterowników Najstarsze systemy sterownicze składały się z wielu szaf sterowniczych, z których każda zawierała ogromne ilości przekaźników elektromechanicznych Inżynierowie opracowywali algorytmy działania systemu sterowania w postaci zależności logicznych (funkcji przełączających w różnych mniej lub bardziej formalnych postaciach) Elektrycy na podstawie otrzymanych algorytmów opracowywali sposoby ich realizacji z wykorzystaniem przekaźników Schematy elektryczne nosiły wspólną nazwę schematów drabinkowych (Ladder diagrams) Drabinki zawierały wszystkie przełączniki, czujniki, silniki, zawory, przekaźniki itp., znajdujące się w systemie Problemy: długi czas realizacji, uzależnienie od układów mechanicznych, trudny proces uruchamiania szaf sterowniczych, każda zmiana algorytmu wymaga zmian konstrukcyjnych w szafie, z wyłączeniem jej z systemu na czas dokonywania zmian.
Historia sterowników Firma General Motors jako jedna z pierwszych sformułowała potrzebę zastąpienia przekaźnikowych szaf sterowniczych Inżynierowie z Hydramatic Division firmy GM w roku 1968 sformułowali założenia dla sterownika programowalnego, którego główna zaletą miała być redukcja wysokich kosztów związanych z niewielką elastycznością systemów przekaźnikowych. Nowe założenia dla sterownika: - realizacja na urządzeniach półprzewodnikowych - elastyczność komputera - praca w środowisku przemysłowym (wibracje, wysoka temperatura, zapylenie itp.) - możliwość przeprogramowywania - łatwe programowanie i obsługa przez elektryków i techników
Historia sterowników W roku 1969 firma Gould Modicon opracowała pierwszy PLC (ciekawostka programowany w logice drabinkowej) Początkowo nazywane były Programmable Controllers PC s obecnie - PLC s, Programmable Logic Controllers. Sterowniki PLC ewoluowały od prostych sterowań włącz/wyłącz, aż po możliwości komunikacyjne z innymi systemami sterowania, wytwarzanie raportów produkcyjnych, kolejkowania produkcji, realizacji różnych receptur, diagnostyki maszyn i sygnalizacji błędów procesu produkcyjnego. Znacznemu rozszerzeniu uległy też możliwości pozyskiwania informacji o procesie (wejścia analogowe), realizacji wyspecjalizowanych zadań ( w tym komunikacyjnych) przez dedykowane moduły sterownika oraz realizacji skomplikowanych zadań regulacji
Przegląd konstrukcji
Podstawowy schemat sterownika Jednostka centralna (CPU) Zasilacz Pamięć Układy wejściowe Układy wyjściowe Port komunikacyjny Gniazdo rozszerzenia
Jednostka centralna Jednostka centralna jest podstawowym elementem PLC. Głównym zadaniem CPU jest czytanie wejść, wykonanie programu sterowania i ustawianie wyjść. CPU zawiera jednostkę arytmetyczno logiczną, układy licznikowe i kontrolne, akumulator, pamięć podręczną, licznik rozkazów, wskaźnik szczytu stosu oraz rejestr instrukcji. Samodiagnostyka Ustawianie wyjść Cykl wykonywania programu Skanowanie wejść Wykonanie instrukcji PLC wykonuje cyklicznie program użytkownika z czasem cyklu od kilku do kilkuset ms
Pamięci Pamięć PLC składa się z preprogramowanej pamięci ROM zawierającej system operacyjny sterownika, drajwery i programy aplikacyjne oraz pamięć RAM. Producenci PLC oferują różnego typu nieulotne pamięci RAM do przechowywania programu użytkownika oraz danych podczas zaniku zasilania, tak aby sterownik mógł kontynuować wykonywanie programu natychmiast po przywróceniu zasilania. Wiele sterowników umożliwia korzystanie z mobilnych minimodułów pamięci, które są podłączane poprzez gniazdo w module jednostki centralnej. Pamięci klasyfikuje się w dwóch podstawowych kategoriach: - pamięci ulotne tracące przechowywaną informację w momencie przerwy w zasilaniu, - pamięci nieulotne zachowujące wpisane informacje nawet wtedy, gdy nie są zasilane
Pamięci Kilka typów półprzewodnikowych pamięci komputerowych: ROM (Read-Only Memory) RAM (Random Access Memory) PROM (Programmable Read-Only Memory) EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory) EEPROM (Electronically Erasable Programmable Read-Only Memory) FLASH Memory Compact Flash może przchowywać kompletną informacje o programie łącznie ze zbiorami tekstowymi
Moduły wejścia/wyjścia (moduły I/O) Moduły wejścia/wyjścia pozwalają podłączać do sterownika czujniki i urządzenia wykonawcze. Realizują izolację elektryczną niskonapięciowych i niskoprądowych sygnałów używanych wewnątrz sterownika od wysokonapięciowych obwodów elektrycznych wymaganych przez większość urządzeń pomiarowych i wykonawczych. Producenci oferują szeroki wybór modułów I/O zarówno cyfrowych (inaczej dyskretnych, binarnych lub logicznych), jak i analogowych (inaczej ciągłych).
Moduły wejść Na wejścia podawane są sygnały z urządzeń pomiarowych, które przetwarzają różne parametry fizyczne i chemiczne procesu na sygnał elektryczny. Najprostszą formą wejść są wejścia cyfrowe (dyskretne) wykorzystujące sygnały napięciowe prądu stałego lub przemiennego. W mniejszych sterownikach wejścia są zazwyczaj wbudowane (zintegrowane z CPU) i muszą zostać wyspecyfikowane w zamówieniu sterownika. Dla większych sterowników wejścia są sprzedawane w postaci oddzielnych modułów lub kart z 8,16, 32, 64 lub 96 wejściami tego samego typu.
Moduły wejść Poniższe zestawienie pokazuje najczęściej spotykane zakresy sygnałów wejść cyfrowych: 5 Vdc 12 Vdc 24 Vdc 48 Vdc 12 Vac 24 Vac 120 Vac 240 Vac
Przykładowe podłączenia karty wejść cyfrowych
Moduły wyjściowe Moduły wyjściowe rzadko są źródłami zasilającymi odbiorniki lecz działają jak przełączniki. Zewnętrzne zasilacze są podłączane do modułu, a on kluczuje napięcie z zasilacza na każde z wyjść. Podczas zamawiania należy wybrać czy elementem kluczującym ma być przekaźnik, tranzystor czy triac. Przekaźniki są najbardziej uniwersalne. Mogą kluczować zarówno obwody prądu stałego, jak i przemiennego. Są jednak wolniejsze, kosztowniejsze i zużywają się po kilku milionach cykli. Przy wyborze przekaźników i wyjść przekaźnikowych najważniejsze są: prąd i napięcie znamionowe. Terminale przekaźnikowe Dla wyjść tranzystorowych i kart o dużej ilości wyjść stosuje się zewnętrzne terminale przekaźnikowe. Ich zaletą jest możliwość użycia przekaźników o różnych parametrach.
Wyjścia Typowe poziomy napięć sygnału na wyjściach sterowników: 5 Vdc 12 Vdc 24 Vdc 48 Vdc 24 Vac 120 Vac 240 Vac Uwaga! Zawsze należy sprawdzić jakie są nominalne prądy i napięcia dla wejść i wyjść sterownika i nigdy nie przekraczać ich dopuszczalnych wartości
Przykład podłączenia modułu wyjść
Sygnały analogowe Typowymi źródłami wejściowych sygnałów analogowych są: Termometry Mierniki przepływu Mierniki ciśnienia Potencjometry Poziomomierze Mierniki siły nacisku Wilgotnościomierze Mierniki wibracji Analogowe sygnały wyjściowe sterują zazwyczaj: Zaworami analogowymi Urządzeniami wykonawczymi Szybkością obrotów silników Rejestratorami Wskaźnikami analogowymi Typowe poziomy sygnałów analogowych: 0 20 ma 4 20 ma 0 5 Vdc 0 10 Vdc -10 10 Vdc
Moduły wejść/wyjść analogowych Karty wejść analogowych przetwarzają za pomocą konwerterów A/C ciągłe sygnały analogowe na dyskretne sygnały cyfrowe do przetwarzania przez PLC. Karty wyjść analogowych przetwarzają za pomocą konwerterów C/A cyfrowe wartości ze sterownika na sygnał ciągły (analogowy). Podczas wyboru modułu wejść istotna może być rozdzielczość konwerterów. Dla sygnału wejściowego 0 100% (np. temperatury 0 100 o C): przy rozdzielczości 8 bitowej wartość w sterowniku wynosi 0 255 przy rozdzielczości 10 bitowej wartość w sterowniku wynosi 0 1024 przy rozdzielczości 12 bitowej wartość w sterowniku wynosi 0 4094 przy rozdzielczości 16 bitowej wartość w sterowniku wynosi 0 32768
Moduły specjalizowane RF ID (Radio Frequency IDentification) Głosowy Obliczania przepływu gazu Moduł wagi Serwomechanizmu hydraulicznego ASCII Fuzzy Logic Czujników temperatury Regulator temperatury Regulator klimatyzacji Karty magistral przemysłowych DeviceNet, Profibus, Genius etc Lonworks, BACNet, ASI, Interbus Szybkich odpowiedzi (Przerwań) PID Regulatory RS232 Modbus ASCII/RTU Ethernet Szybkich liczników Sterowania położeniem Per to Per - Controller Link DH+ Modbus Plus
Dostępne instrukcje i bloki Obsługa wejść wyjść sterowania Logiczne Timer i liczniki Porównanie Porównanie zakresów Kopiowanie danych Przesuwanie zawartości rejestru Step / Step Next Komunikacja szeregowa Przetwarzanie tekstów Operacje na zbiorach Zwiększanie/ Zmniejszanie o 1 Konwersja ASCII Number Systems Matematyczne Matematyczne zmiennoprezecinkowe Statystyczne Skalowania PID PID z samostrojeniem Zegar/Data Przetwarzanie blokowe IF,THEN,ELSE,LOOP Przetwarzanie tablicowe LIFO, FIFO
Sieci przemysłowe ASI Devicenet Interbus-S Profibus Interbus Fieldbus Ethernet I/P Smart Distributed System (SDS) Seriplex CANopen Lonworks BACNet Gateways enable communications between different network topologies
Konstrukcje sterowników Moduły w kasecie z magistralą (RACK) Moduły łączone ze sobą (MINI) (każdy moduł ma fragment magistrali) Sterownik kompaktowy (SHOE BOX) Inteligentny przekaźnik (MICRO)
Konstrukcje sterowników Rodzaj konstrukcji sterownika opisuje sposób integracji wszystkich elementów sterownika. Typowe konstrukcje od największych do najmniejszych. Modułowy, kasetowy : moduły włożone do kasety wyposażonej w gniazda i magistralę wewnętrzną sterownika. Czasem CPU zintegrowana z kasetą Modułowy, mini: podobny funkcjonalnie do kasetowego, często mniejszy. Moduły mocowane do specjalnej konstrukcji z magistralą (backplane) lub na szynie DIN (wówczas wyposażone są w gniazda i wtyki i łączone razem w celu zbudowania magistrali wewnętrznej sterownika) Kompaktowy: Wszystko w jednej obudowie. Ograniczone możliwości rozbudowy. Niski koszt i kompaktowość czynią go idealnym dla małych aplikacji. Montowane na szynie DIN. Inteligentny przekaźnik (Mikro): Najmniejszy i najtańszy ze sterowników. Ustalona ilość wejść/wyjść i ograniczone możliwości. Wyjścia przekaźnikowe o stosunkowo dużej obciążalności. Montowane na szynie DIN.
Wielkość sterownika Wielkość sterowników określa się podając ilość wejść i dzieli się na: Mikrosterowniki : I/O do 32 punktów Sterowniki małe: I/O do 128 punktów Sterowniki średnie: I/O do 1024 punktów Sterowniki duże: I/O do 4096 punktów Sterowniki bardzo duże: I/O do 8192 punktów
Wybór sterownika Kryteria wyboru: Liczba logicznych wejść/wyjść Liczba wejść/wyjść analogowych Pamięć Liczba modułów specjalnych Możliwości rozbudowy Czas wykonywania pętli programowej (Scan Time) Możliwości komunikacyjne Oprogramowanie Serwisowanie i wsparcie techniczne Koszt
Elementy stykowe Oznaczenia styków na schematach elektrycznych Styk zwierny, normalnie otwarty, NO Styk rozwierny, normalnie zamknięty, NC Styk zwierno - rozwierny, NO/NC Sterowanie stykami: o Przycisk - monostabilny - bistabilny - grzybek bezpieczeństwa o Przełącznik obrotowy - monostabilny - bistabilny o Dźwignia - monostabilna - bistabilna o Suwak - monostabilny??? - bistabilny o Wyłącznik krańcowy - klasyczny - przelotowy
Logika Boole a a logika przekaźnikowa Iloczyn logiczny Klucz 1 Klucz 2 Lampa 1 Lampa 1 = (Klucz 1) AND (Klucz 2) Klucz 2 Suma logiczna Klucz 1 Lampa 2 Lampa 2 = (Klucz 1) OR (Klucz 2)
Logika Boole a a logika przekaźnikowa Klucz 1 Klucz 2 AND OR Klucz 3 Klucz 4 Lampa 3 Lampa 3 = (Klucz 1 AND Klucz2) OR (Klucz 3 AND Klucz 4) Klucz 1 Klucz 2 OR AND Klucz 3 Klucz 4 Lampa 4 Lampa 4 = (Klucz 1 OR Klucz 3) AND (Klucz 2 OR Klucz 4)
Logika Boole a a logika przekaźnikowa Przekaźnik z samopodtrzymaniem (zatrzask) START STOP P 1.1 P 1 P 1.2 M
Logika Boole a a logika przekaźnikowa Iloczyn logiczny Klucz 1 Klucz 2 Lampa 1 Lampa 1 = (Klucz 1) AND (Klucz 2) Klucz 1 PLC Lampa 1 IN1 OUT1 Klucz 2 IN2 OUT2 IN1 IN2 OUT1 IN3 OUT3 IN4 OUT4 Program w języku LD COM COM
Logika Boole a a logika przekaźnikowa Suma logiczna Klucz 2 Klucz 1 Lampa 2 Klucz 1 IN1 PLC PLC OUT1 Lampa 2 = (Klucz 1) OR (Klucz 2) Klucz 2 Lampa 2 IN2 OUT2 IN1 OUT2 IN3 OUT3 IN2 IN4 OUT4 COM COM Program w języku LD
Logika Boole a a logika przekaźnikowa AND OR Klucz 1 Klucz 2 Klucz 1 Klucz 2 OR AND Klucz 3 Klucz 4 Lampa 3 Klucz 3 Klucz 4 Lampa 4 Lampa 3 = (Klucz 1 AND Klucz2) OR (Klucz 3 AND Klucz 4) Lampa 4 = (Klucz 1 OR Klucz 3) AND (Klucz 2 AND Klucz 4) IN1 IN2 OUT1 Klucz 1 IN1 OUT1 Lampa 1 IN1 OUT2 Klucz 2 Lampa 2 IN2 Klucz 3 IN2 OUT2 Lampa 23 IN1 IN2 OUT3 Klucz 4 IN3 OUT3 Lampa 4 IN3 IN4 IN4 OUT4 IN1 IN2 OUT4 COM COM IN3 IN4
Logika Boole a a logika przekaźnikowa Układ przekaźnikowy z samopodtrzymaniem START STOP P 1.1 P 1 P 1.2 M Start IN1 OUT1 Stop IN2 OUT2 M IN1 IN2 OUT2 IN3 OUT3 OUT2 IN4 OUT4 Program w języku LD COM COM
Logika Boole a a logika przekaźnikowa Oscylator bramkowany o okresie drgań równym 2* cykl wykonania programu IN1 OUT1 OUT1 Funkcja Ex-OR IN1 IN2 OUT3 IN1 IN2
Logika Boole a a logika przekaźnikowa Przerzutnik RS IN1 IN2 OUT2 OUT2 Bit M1 równy 1 tylko podczas pierwszego cyklu wykonywania programu M2 M1 ( szczebel umieszczony na początku wykonywanego programu) Bit M2 równy 0 tylko podczas pierwszego cyklu wykonywania programu M2 M2 M2 ( szczebel umieszczony na końcu wykonywanego programu)