Sterowniki Programowalne (SP) Automatyka i Robotyka Wydział Elektrotechniki i Automatyki Politechnika Gdańska

Sterowniki Programowalne (SP) Automatyka i Robotyka Wydział Elektrotechniki i Automatyki Politechnika Gdańska PLC, PAC, DCS, IPC - definicje, podział, historia, rynek, miejsce w systemie automatyki 08.10. 2013 Semestr V, AiR rok akademicki 2009/2010

Definicje [1] PLC (ang. Programmable Logic Controller) 2

PLC PLC cechują się: wysoką niezawodnością możliwością pracy w warunkach przemysłowych łatwością programowania elastycznością w zastosowaniach dzięki dużej bazie modułów dużymi możliwościami komunikacyjnymi skalowalnością uniwersalnością 3

Moduły określają funkcjonalność PLC Zasilanie Jednostki centralne Wejścia dyskretne Wyjścia dyskretne Wejścia analogowe Wyjścia analogowe Moduły komunikacyjne Moduły specjalizowane Moduły PLC przeważnie montowane są w kasecie razem z CPU i zasilaczem, mogą jednak być także montowane w 4 oddaleniu

Definicje [2] PAC (ang. Programmable Automation Controllers) PAC cechują się: 5 Wielokryterialna funkcjonalność, rozumiana jako możliwość tworzenia aplikacji różnego rodzaju (sterowania logicznego, sterowania ruchem, napędami oraz regulacji ciągłej w ramach jednej platformy sprzętowej) Pojedyncza wielozadaniowa platforma sprzętowa, dzięki której możliwe jest przechowywanie danych procesowych oraz wewnętrznych w jednej, wspólnej dla całości bazie danych Narzędzia programistyczne dzięki którym możliwe jest projektowanie aplikacji dla wielu maszyn czy procesów

PAC Otwarta modułowa architektura, odzwierciedlająca strukturą aplikacje przemysłowe od poziomu maszyn do jednostek zarządzania produkcją fabryki Wykorzystywanie wielu standardów komunikacji, języków programowania i innych dzięki czemu dane mogą być w prostu sposób wymieniane pomiędzy produktami (systemami) pochodzącymi od wielu dostawców PAC to nowa klasa urządzeń do sterowania dzięki którym można łatwo wymieniać dane procesowe, znacznie zwiększyć funkcjonalność systemu, zaoferować zwiększoną niezawodność PAC mają niezawodność PLC, możliwości obliczeniowe PC, wykorzystują otwarte standardy przemysłowe OPC, XML 6

SoftPLC Układy sterowania bazujące na PLC są od wielu lat podstawowymi systemami stosowanymi w praktyce przemysłowej. W przypadku niektórych aplikacji rozwiązania tego typu mają jednak wady, które wiążą się z niewystarczającymi możliwościami obliczeniowymi i szybkością działania jednostki centralnej. Dotyczy to w szczególności sterowania procesami krytycznymi pod względem czasowym, dlatego alternatywą może tutaj być wykorzystanie rozwiązań softplc. Systemy tego typu bazuje na środowisku komputerowym i wykorzystuje interfejs procesowy z klasycznego sterownika PLC. Jako platformę sprzętową dla systemu można wykorzystać zarówno komputer klasy PC w wersji biurowej lub przemysłowej oraz inne urządzenia pracujące pod kontrolą np. systemu Windows, w tym panele wielofunkcyjne. 7

IPC - Komputery przemysłowe IPC (Industrial PC) Współczesne aplikacje przemysłowe są coraz bardziej skomplikowane i wymagają zastosowania odpowiednich narzędzi, wyposażonych w takie funkcje, jak: szybkozmienne sterowanie prędkością obrotową napędów, synchronizacja złożonych, kilkuosiowych układów napędowych, obsługa specjalizowanych modułów we/wy analogowych i zaawansowanych interfejsów obsługi HMI i inne. Pojawiające się w ofercie firm branżowych tzw. komputery przemysłowe IPC zwykle są znacząco droższe od standardowych, popularnie używanych komputerów klasy PC, jednak warto pamiętać, że stosowanie dziś tanich narzędzi oznacza nagromadzenie problemów i trudności w późniejszym okresie ich eksploatacji. 8

IPC cechy i kryteria doboru [7] preinstalowane niezbędne oprogramowanie i narzędzia programowe, co znacznie ułatwia implementację komputera w aplikacji, pewność działania testy, certyfikaty itp., częstotliwość niezbędnych modernizacji, wymiany części. Możliwość wprowadzania modernizacji sprzętowych w komputerze nie powinna powodować jego niekompatybilności, utraty niektórych funkcji na rzecz innych. W praktyce wymiany, modernizacje podzespołów w komputerach przemysłowych to zjawisko dość częste, stąd konieczność wcześniejszego sprawdzenia możliwości jego w miarę swobodnego realizowania w czasie eksploatacji. kompatybilność elektromagnetyczna i odporność na zaburzenia zewnętrzne, tak charakterystyczne dla środowisk przemysłowych (zgodność z odpowiednimi normami i standardami). Komputer nie może wchodzić we wzajemne interakcje z innymi urządzeniami elektronicznymi czy modułami wykonawczymi w aplikacji, chyba że przez dedykowane połączenia sieciowe lub elektryczne. Powinien być również odporny na różnego typu inne zjawiska, np. udary prądów, wyładowania elektrostatyczne itp. 9

IPC cd. odporność i wytrzymałość mechaniczna. Z komputerów przemysłowych eliminuje się takie elementy, jak wentylatory, części ruchome, standardowe dyski twarde z ruchomymi głowicami. Wprowadza się pamięci typu flash, procedury programowe i sprzętowe zmierzające do ograniczenia zużycia energii itp. Dzięki tym ostatnim nie ma konieczności tak intensywnego chłodzenia, co z kolei wiąże się bezpośrednio z możliwością wspomnianej wcześniej eliminacji wentylatorów lub innych dodatkowych elementów chłodzenia. dostępność klawiatury, interfejsów sterujących i innych niezbędnych przycisków, pilotów itp., obudowy dopasowane do warunków środowiskowych, w jakich komputer ma być eksploatowany. Na przykład dla komputerów montowanych na zewnątrz maszyny konieczna może być obudowa klasy IP-65, zarówno dla samego komputera, jak i jego klawiatury. Ponadto w niektórych aplikacjach istotne znaczenie ma temperatura otoczenia ekstremalnie wysoka lub niska; typowe urządzenia IPC dedykowane są do środowisk z temperaturami 050 C, z wilgotnością do 90%, na wysokościach do 3000 m nad poziom morza. Niekiedy specyfika montażu wymaga dopasowania systemu montażowego do szyn typu DIN, różnego kąta położenia względem pionu/poziomu lub pełnej wodoodporności. 10

Rys historyczny [1] 11

Rys historyczny cd. [1] 12

Rys historyczny cd. [1] 13

Rys historyczny cd. Około 2002 roku wiele rodzin sterowników PLC przeszło gruntowną zmianę, w efekcie czego: wprowadzono otwarte standardy sterowania, więcej środowisk programistycznych dla PLC jest zgodnych z normą IEC61131, producenci umożliwiają także programowanie w wysokopoziomowych językach spoza normy, takich jak ANSI C, C++ a nawet C#, małe sterowniki wyposażone są w dużą ilość pamięci (8 GB i więcej), interfejsem do programowania PLC jest w głównej mierze Ethernet TCP/IP, architektura programowa PLC bazuje na deterministycznych wielozadaniowych systemach czasu rzeczywistego. 14

PLC/PAC Programowalny sterownik automatyki charakteryzuje się następującymi cechami, które odróżniają go od sterownika PLC: mnogość zastosowań: systemy logiczne, sterowanie napędami i procesami ciągłymi w ramach jednej platformy sprzętowej, wspólna globalna baza zmiennych o łatwym dostępie z poziomu każdego zadania w ramach platformy, jedno środowisko programistyczne do wszystkich zadań sterowania, otwarta modułowa architektura, dzięki której inżynier korzysta tylko z tych modułów, których potrzebuje, dostępność wielu standardów komunikacji (od asynchronicznych do deterministycznych) i wielu języków programowania (zgodnych z normą IEC 61131-3, a także wysokiego poziomu) inżynier ma po prostu swobodny wybór. Sterowniki PLC ewoluują i nawet ich producenci nie potrafią wybrać między akronimami PLC i PAC. Wybierają ten ostatni, nawet gdy ich produkty nie mają cech wymienionych powyżej. 15

Mnogość i podobieństwo wymienionych cech powoduje, że ciężko jest jednoznacznie stwierdzić, który sterownik jest urządzeniem PAC, a który jedynie PLC. Najprostsza definicja mówi, że PAC jest urządzeniem łączącym elastyczność PC i funkcjonalność z odpornością PLC. Sterownik PAC to połączenie architektur sprzętowych i programowych jednostek PC i PLC w jednej solidnej obudowie. 16

17

Podział PLC ze względu na budowę: - kompaktowe zawierające zwartą, niemodyfikowalną budowę i funkcjonalność - modułowe umożliwiające kształtowanie funkcjonalności przez dobór modułów ze względu na liczbę punktów wejść/wyjść [1] 18

Sterowniki o budowie kompaktowej Saia PCD1.M1 Siemens LOGO! 24 19

Sterowniki o budowie kompaktowej GE Fanuc 90-Micro 20 Siemens SIMATIC S7-200

Sterowniki o budowie modułowej Saia PCD4 21

Sterowniki o budowie modułowej GE Fanuc 90-30 22

Sterowniki o budowie modułowej Siemens Simatic S7-300 Siemens Simatic S7-400 23

PAC GE Fanuc RX3i 24

Sterownik z TV ;-) 25

IPC 26

Rodziny sterowników [1] 27

Architektura sprzętowa PLC 28

Architektura sprzętowa PC 29

Architektura PC-RT (IPC) 30

Miejsce PLC w systemie automatyki 31

Miejsce PLC w systemie automatyki 32

Miejsce PLC w systemie automatyki 33

Miejsce PLC w systemie automatyki SCADA PLC 34

Miejsce PLC w systemie automatyki We współczesnym ROZBUDOWANYM systemie sterowania PLC + SCADA stanowią nieodłączną funkcjonalną parę. PLC pracuje w warstwie sterowania bezpośredniego SCADA pracuje w warstwie sterowania nadrzędnego Oba systemy są komplementarne czyli uzupełniają się; pracują na różnych platformach sprzętowych, cechują się różnym stopniem niezawodności, przeznaczone są do różnych celów, jednak w kursie nauczania o SP nie może zabraknąć związków z systemami SCADA. 35

Miejsce PLC w systemie automatyki 36

PLC a sterowanie zdecentralizowane, rozproszone wykorzystanie PSI 37

DCS Rozproszony system sterowania (ang. Distributed Control System) Określa system odpowiadający za sterowanie i wizualizację procesu przemysłowego posiadający wspólną bazę danych dla sterowania i wizualizacji (w przeciwieństwie do systemu zbudowanego na bazie SCADA i PLC). Wspólna baza punktów (tagów) daje jednoznaczne określenie w systemie DCS. Dodatkowe cechy DCS (czasami wspólne z PLC) to: - programowanie przy pomocy zdefiniowanych bloków pomiarowych - przechowywanie aktualnej dokumentacji dla całego systemu na stacji inżynierskiej DCS - archiwizacja zdarzeń (nawet kilkuletnia) - posiadanie redundantnych (zwielokrotnionych) elementów takich jak kontrolery, układy wejść-wyjść, stacje operatorskie - możliwość załadowania i zmian w programie bez zatrzymywania systemu (procesu) - sprawna obsługa bardzo dużych obiektów (nawet do 50000 punktów pomiarowych) - możliwość podłączenia wszystkich typów urządzeń pomiarowych i wykonawczych o różnych standardach komunikacji 38

Rozproszony system sterowania został wprowadzony po raz pierwszy w roku 1975 przez amerykańską firmę Honeywell pod nazwą TDC 2000 i od tego momentu stał się faktycznym standardem w przemyśle rafineryjnym i chemicznym. Początkowo działanie systemów rozproszonych skupiało się na precyzyjnej regulacji np. regulator PID oraz archiwizacji (trendy). Gwałtowny rozwój automatyki, elektroniki i komputeryzacji wymusił na DCS-ach kolejne funkcje, bez których nie wyobrażamy sobie ich pracy: - automatyczny dobór nastaw regulatorów (np. DeltaV Tune, czy Loop Scout) - optymalizacja procesów technologicznych, oparta na sterowaniu zaawansowanym (ang. Advanced Process Control) - elementy sterowania zaawansowanego jako proste bloki programowe, np.: - regulatory "rozmyte" (ang. fuzzy logic) - regulacja predykcyjne (ang. model predictive control, MPC) - regulatory adaptacyjne - integracja z siecią informatyczną zakładu, pozwalająca na generowanie raportów produkcyjnych, czy uzależnienie produkcji od stanów magazynowych itp. (na bazie mechanizmu OPC i Ethernetu) - diagnostyka aparatury kontrolno-pomiarowej na bazie protokołów HART i Foundation Fieldbus, min. diagnostyka zaworów regulacyjnych (patrz ustawnik pozycyjny) np. AMS Inside. - sieci neuronowe - pełna integracja z systemem blokadowym - zastosowanie protokołów cyfrowych takich jak HART, Foundation Fieldbus, Profibus, Modbus RTU, DeviceNet, ASI. 39 - generowanie raportów bezpośrednio do aplikacji biurowych np. Excel lub do baz danych np. MS SQL.

Z PLC i SCADA oraz z wykorzystaniem PSI można zbudować rozproszony system sterowania jednak koncepcja DCS jest nieco inna. [5] Obecnie jednak różnice zacierają się. PLC powstało dla zastąpienia dyskretnych układów stycznikowo-przekaźnikowych, DCS od początku jako platforma implementacji regulacji ciągłej z użytkownikiem jako nadzorcą. 40

Rynek PLC i PAC 41

42

43

Popularność języków programowania W opinii 89% użytkowników najbardziej popularnym językiem programowania PLC jest nadal język drabinkowy (LAD). W dalszej kolejności zostały wymienione następujące języki: bloków funkcyjnych (FBD) 57% oraz tekstu strukturalnego (ST) 37%. Typowania dostawców przedstawiają się bardzo podobnie. Ich zdaniem trzy wymienione języki programowania PLC są obecnie niekwestionowanymi liderami. 44

Zagadnienia komunikacyjne Przyjrzyjmy się teraz najchętniej wybieranym protokołom komunikacyjnym. Okazuje się, że w dalszym ciągu prym wiedzie Ethernet. Uważa tak 78% użytkowników oraz 81% dostawców. Ankietowani użytkownicy twierdzą, że ważne są także takie protokoły, jak: Profibus (62%), Modbus (43%), Serial RS-232/RS-485 (34%), 4-20 ma/010 VDC (29%) oraz CANopen (18%). Natomiast zdaniem dostawców popularnymi protokołami są: Modbus (71%), Serial RS-232/RS-485 (57%), Profibus (48%), 4-20 ma/010 VDC (33%), CANopen (29%), a także EtherCAT (10%). 45

Zainteresowanie PLC wg skali Większość (62%) sondowanych użytkowników najczęściej decyduje się na zakup sterowników średnich (od 129 do 512 punktów We/Wy). Połowa osób biorących udział w badaniu najchętniej wybiera mikrosterowniki (od 16 do 128 punktów We/Wy), a jedna czwarta ankietowanych za najbardziej popularne uznaje sterowniki duże (powyżej 512 punktów We/Wy). Mniejszym zainteresowaniem cieszą się sterowniki oparte na technologiach PC, nanosterowniki (do 15 punktów We/Wy), systemy embedded oraz sterowniki tworzone na potrzeby danej aplikacji. 46

Bogusław Krasuski, Marketing Manager z firmy Omron Electronics podkreśla, że od początku lat 70., kiedy zaczęto na szerszą skalę stosować sterowniki PLC do kontroli maszyn i procesów w przemyśle, rynek automatyki przemysłowej przeszedł istną rewolucję: Rozwój technik komputerowych i coraz szersze możliwości mikroprocesorów spowodowały, że obecnie wykorzystanie takich urządzeń stało się bezdyskusyjnym standardem. Obecnie znaleźliśmy się w punkcie, gdzie projektant ma do wykorzystania całą gamę urządzeń sterowania maszynami i procesami szeroka oferta sterowników PLC, PAC czy systemów IPC zapewnia wybór najbardziej optymalnych rozwiązań. [3] 47

Mateusz Wądzyński, inżynier wsparcia technicznego z firmy Simex, sięga pamięcią do czasów sprzed ponad 40 lat, kiedy firma Bedford Associates wprowadziła na rynek pierwszy sterownik PLC. Przez ten czas producenci nieprzerwanie odpowiadają na potrzeby klientów, udoskonalając swoje produkty oraz zwiększając ich możliwości i funkcjonalność. W dużej mierze dzięki temu sterowniki PLC cieszą się tak stabilną pozycją na rynku automatyki [3]. 48

Wpływ IPC na rynek PLC/PAC Warto wspomnieć o opinii dostawców na temat wpływu rozwoju komputerów przemysłowych na rynek sterowników programowalnych. 38% uważa, że ma on wpływ, ale tylko w części aplikacji, 33% twierdzi, że ma on duży wpływ, a pozostała część (29%) jest przekonana, że rozwój komputerów przemysłowych nie ma żadnego wpływu na rynek sterowników. Zapytaliśmy również dostawców, czy PLC/PAC oraz IPC to podzespoły, na bazie których można budować ofertę firmy. Oto, jakie otrzymaliśmy odpowiedzi: zdecydowanie tak (62%), raczej tak (24%), raczej nie (10%), zdecydowanie nie (4%). 49

Trendy Trend, który obserwujemy od kilku lat to ciągłe podnoszenie wydajności oferowanych urządzeń. Wraz ze wzrostem mocy obliczeniowych oraz szybkości pracy kontrolerów dostawcy są w stanie integrować w urządzeniach nowe funkcje. Bardzo szybki rozwój technologii teleinformatycznych jest także widoczny na rynku automatyki. W najbliższym czasie kontrolery będzie można konfigurować i programować za pomocą chmury, a dostęp do danych diagnostycznych i konfiguracyjnych urządzeń będziemy mieli z poziomu smartfonów i tabletów, które cały czas mamy przy sobie. To ma ogromne znaczenie dla optymalizacji kosztów serwisu i zarządzania systemami pracującymi w bardzo dużym 50 rozproszeniu

Trendy cd. Według obserwacji Lechosława Szkudlarka z firmy B&R Automatyka Przemysłowa do lamusa odchodzą sterowniki programowane tylko w języku drabinkowym, choć nadal jest to najbardziej popularny język. Dzisiejsze narzędzia inżynierskie do programowania wspierają co najmniej kilka języków (np. w B&R Automation Studio jest ich aż dziewięć LAD, ST, SFC, IL, FBD, CFC, Automation Basic, ANSI C oraz C++). Dodatkowo program może być też generowany z takich narzędzi jak MATLAB Simulink czy MapleSim. 51

trendy Ponadto konieczność zdalnej obsługi systemu sprawiła, że interfejs szeregowy został wyparty przez Ethernet, a serwery WWW, FTP, VNC oraz możliwość wysyłania e-maili występują nawet w bardzo prostych sterownikach. Coraz większego znaczenia nabiera możliwość integracji funkcji bezpieczeństwa (Safety) oraz redundancja CPU, którą w sterownikach B&R realizuje się za pomocą standardowych modułów. Bardzo istotne są również diagnostyka i serwis systemu dla użytkowników końcowych. Niemal każdy sterownik B&R po wgraniu programu ma wbudowany graficzny interfejs diagnostyczny oparty na web serwerze. Dzięki niemu można uzyskać bardzo szczegółowe informacje na temat pracy systemu, bez specjalistycznej wiedzy i bez oprogramowania narzędziowego, używając jedynie przeglądarki internetowej 52 tłumaczy Lechosław Szkudlarek.

Bibliografia [1] Programowanie sterowników PLC, Legierski, Kasprzyk, Wyrwał, Hajda, Wydawnictwo Pracowni Komputerowej Jacka Skalmierskiego, Gliwice 1998 [2] Programowalne sterowniki automatyki PAC, Pietrusewicz, Dworak, Wydawnictwo Nakom, 2007 [3] Control Engineering Polska, lipiec 2013 [4] Control Engineering Polska, Październik 2008 artykuł Właściwy dobór systemu sterowania [5] Control Engineering Polska, Sterowniki 2011. PLC, PAC czy IPC co wybrać? 53