Sterowania rozproszone z wykorzystaniem protokołu EGD (Ethernet Global Data)

Laboratorium Integracji Systemów i Sterowania Rozproszonego Sterowania rozproszone z wykorzystaniem protokołu EGD (Ethernet Global Data) Programowalne sterowniki logiczne VersaMax firmy GE Intelligent Platforms (GE Fanuc) Katedra Automatyki i Inżynierii Biomedycznej, Wydział EAIiIB Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie Maciej Rosół Kraków 2013 1

1. Cel Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z ideą sterowania rozproszonego wykorzystującego jako medium transmisyjne kablowy standard sieci Ethernet z protokołem SRTP. Istnieje możliwość zapoznania się z rodziną sterowników VersaMax wyposażonych w cyfrowe i analogowe moduły rozszerzeń. Studenci mogą realizować algorytmy pomiarowo sterujące, w których regulator uruchamiany jest na oddalonym sterowniku. Ponadto poznają efekty pojawiające się podczas tego typu sterowania np. opóźnienia w transmisji oraz utrata pakietów. Rys. 1. Schemat stanowiska do sterowania obiektem inercyjnym II rzędu z wykorzystaniem sterowników PLC VersaMax. UWAGA!!! Do zasilaczy impulsowych znajdujących się na stanowisku doprowadzono napięcie 230V/50Hz. Pod żadnym pozorem nie wolno ich dotykać, gdyż grozi to śmiercią lub trwałym kalectwem 2

2. Opis stanowiska Schemat blokowy stanowiska laboratoryjnego przedstawiono na rys. 1. Obiekt sterowania stanowi model fizyczny układu inercyjnego drugiego rzędu. Sygnał sterujący VIn stanowi napięcie z zakresu (0 10) V. Sygnały pomiarowe VOut 1 i VOut 2 to wartości napięć z pierwszego i drugiego stopnia układu inercyjnego. System sterowania rozproszonego zbudowano z wykorzystaniem sterowników PLC typu VersaMax firmy GE Fanuc. Jako kanał komunikacyjny wykorzystano standard Ethernet 10 Base T/100 Base TX. Sterownik VersaMax składa się z grupy modułów VersaMax z jednostką centralną oraz przyłączonego na pierwszej pozycji zasilacza. Pełnią one funkcje sterownika systemu, posiadającego do 64 modułów i zawierającego do 2048 punktów wejść/wyjść. Dwa porty szeregowe RS232 i RS485 obsługują protokoły transmisji SNP slave oraz RTU slave. Podstawowe funkcje jednostki centralnej: 1. Zapis programu sterującego w formie drabiny logicznej, sekwencyjnego wykresu funkcji lub listy instrukcji. 2. Operacje na liczbach zmiennoprzecinkowych (rzeczywistych). 3. Pamięć typu flash do przechowywania programu sterującego. 4. Podtrzymywanie bateryjne pamięci programu sterującego, danych oraz zegara czasu rzeczywistego: Kondensator podtrzymujący zawartość pamięci przez 1 godzinę. Bateria podtrzymująca zawartość pamięci przez 6 miesięcy. Nieużywana bateria ma przewidywaną żywotność rzędu 5 lat. 5. Przełącznik Run/Stop. 6. Wbudowane protokoły komunikacji RS232 i RS485. Wykorzystane na stanowisku dwa sterowniki VersaMax (oznaczone jako: PLC_1 i PLC_2) zawierają jednostkę centralną CPUE05, wyposażoną dodatkowo w moduł do komunikacji typu Ethernet - 10 Base T/100 Base TX. Niezbędnymi elementami każdego ze sterowników PLC są moduły wejść/wyjść cyfrowych i analogowych. Umożliwiają one podłączenie sterownika do sterowanego obiektu. Każdy z użytych na stanowisku sterowników PLC zawiera moduł wejść/wyjść cyfrowych, a sterownik dolny dodatkowo moduł prądowych wejść/wyjść analogowych. Parametry sterowników użytych na stanowisku zebrano w tabeli 1. Tabela 1. Parametry modułów sterowników VersaMax PLC_1 PLC_2 Zasilacz - PWR IC200PWR002 IC200PWR002 Moduł CPU IC200CPUE05 IC200CPUE05 Moduł I/O cyfrowy IC200MDD844 IC200MDD844 Moduł I/O analogowy IC200ALG430 IC200ALG432 Moduł ProfiBus-DP Brak IC200BEM002 Podstawka pod moduły 1 x IC200CHS002 1 x IC200CHS025 (dla IC200ALG432) 1 x IC200CHS006 (dla IC200BEM002) 3

Każdy z dwóch sterowników spełnia inną funkcję w systemie sterowania układem inercyjnym II rzędu: 1. Sterownik PLC_1. Wykonuje algorytm regulatora. Blok wejść/wyjść cyfrowych nie jest połączony z procesem. Do wejść cyfrowych podłączono zadajniki typu włącz/wyłącz, które można wykorzystać do sterowania pewnymi trybami pracy całego systemu. Wyjście analogowe AQ1 modułu IC200ALG430 podłączone jest do wejścia VIn sterowanego obiektu. 2. Sterownik PLC_2. Wejścia analogowe AI1 i AI2 podłączone są do wyjść VOut1 i VOut2 obiektu, natomiast wejście analogowe AI3 podłączone jest do potencjometru i może stanowić zadajnik wielkości regulowanej. Konfiguracja i realizacja algorytmów pomiarowo-sterujących odbywa się z wykorzystaniem komputera klasy PC wyposażonego w port szeregowy RS232 lub kartę sieciową (Ethernet). Środowisko programowe dla sterowników VersaMax tworzy aplikacja Proficy Machine Edition, dostarczana przez producenta, pracująca w systemie operacyjnym rodziny Windows. Zapis/odczyt konfiguracji i aplikacji sterownika odbywa się poprzez łącze RS232 lub sieć Ethernet (złącze RJ-45). Ze względu na charakter stanowiska drugie rozwiązanie wydaje się korzystniejsze (wygodniejsze). Dodatkowo, ze względu na to, że wszystkie sterowniki PLC oraz komputer zostały dołączone do przełącznika (ang. switch) sieci Ethernet, nie istnieje konieczność ciągłego przełączania kabli pomiędzy komputerem a poszczególnymi sterownikami. UWAGA!!! Nie należy podłączać sterowników VersaMax (poprzez. switch) do uczelnianej sieci Ethernet, ponieważ może wystąpić konflikt adresów IP. 3. Konfiguracja sterowników w programie Proficy Machine Edition Przed przystąpieniem do konfiguracji sterowników PLC w programie Proficy Machine Edition należy dokonać oceny fizycznych połączeń pomiędzy poszczególnymi elementami stanowiska. Należy sprawdzić odpowiednio połączenia: 1. Modułów Ethernet wszystkich sterowników VersaMax oraz komputera PC z 8/16 portowym przełącznikiem sieci. 2. Wejść i wyjść analogowych sterowników PLC_1 i PLC_2 do wyjść i wejść układu inercyjnego II rzędu oraz zadajnika analogowego. 4

Konfiguracja sterowników PLC może być podzielona na dwa etapy: 1. Konfigurację jednostek centralnych i dodatkowych modułów wejść/wyjść. 2. Konfigurację modułów Ethernet poszczególnych sterowników. Rys. 2. Okno tworzenia nowego projektu Pierwszy etap konfiguracji należy wykonać na podstawie danych zawartych w tabeli 1. Przedstawiona poniżej konfiguracja dotyczy sterownika PLC_1. Konfiguracja sprzętowa sterownika PLC_1. 1. Uruchomić program Proficy Machine Edition. 2. Wybrać opcję New Project z menu File. Ukaże się okno jak na rys. 2. Wpisać nazwę tworzonego projektu np. ISiSR_Proj i nacisnąć przycisk OK. W celu ułatwienia późniejszej konfiguracji można rozwinąć menu Project Template i zaznaczyć opcję GE Fanuc VersaMax PLC. W efekcie zostanie utworzone nowy projekt z oknem Navigator. 3. W oknie Navigator wybrać górną pozycję rozwijanej listy z nazwą projektu (w przykładzie ISiSR_Proj) i nacisnąć prawy przycisk myszy. Wybrać Add Target/GE Fanuc PLC/VersaMax PLC. Przypisać unikalną nazwę do wybranego sterownika np. PLC_1. 4. Rozwinąć zakładkę sterownika (w przykładzie UpperTank). Wybrać Hardware Configuration/Main Rack/. Nacisnąć prawy przycisk myszy na PWR (IC200...) i wybrać opcję Replace Module..., a następnie wybrać zasilacz IC200PWR002. Postępując analogicznie zmienić jednostkę centralną (Slot 0 (...) w zakładce Main Rack) na IC200CPUE05. 5. Nacisnąć prawym przyciskiem myszy na Main Rack i wybrać opcję Add Carrier/Base... Ins. W zakładce I/O Carriers wybrać moduł IC200CHS002 (podstawka pod moduły rozszerzeń). W efekcie zostanie utworzona zakładka Slot 1 (). 6. Prawym przyciskiem myszy nacisnąć na Slot 1 () i wybrać Add Module... W nowo otartym oknie uaktywnić zakładkę Discrete Mixed i wybrać moduł IC200MDD844. 7. Nacisnąć prawym przyciskiem myszy na Main Rack i wybrać opcję Add Carrier/Base... Ins. W zakładce I/O Carriers wybrać moduł IC200CHS002 (podstawka pod moduły rozszerzeń). W efekcie zostanie utworzona zakładka Slot 2 (). 8. Prawym przyciskiem myszy nacisnąć na Slot 2 () i wybrać Add Module... W nowo otartym oknie uaktywnić zakładkę Analog Mixed i wybrać moduł IC200ALG430. W kolejnym etapie należy dodać drugi sterownik VersaMax i na podstawie konfiguracji sterownika PLC_1 (punkty od 3 do 8) oraz tabeli 1 (trzecia kolumna) dokonać konfiguracji sterownika PLC_2. 5

Rys. 3. Konfiguracja parametrów modułów Ethernet Konfigurację modułów Ethernet należy przeprowadzić dla wszystkich sterowników z wykorzystaniem danych zawartych w tabeli 2. Procedura postępowania jest następująca: 1. Wybrać w oknie Navigator zakładkę Hardware Configuration/Main Rack/Slot 0 (IC200CPUE05), nacisnąć prawy przycisk myszy i wybrać opcję Configure. Następnie zaznaczyć zakładkę Ethernet w nowo otwartym oknie. Ustalić parametry następujących pól edycyjnych: IP Address, Subnet Mask, Gateway IP Address zgodnie z tabelą 2 (patrz rys. 3). 2. Pole Status Address podaje adres pierwszej zmiennej typu %I (standardowo jest to %I0001), a pole Status Length wielkość obszaru, który jest rezerwowany przez sterownik Ethernet. Oznacza to, że zmienne te (od %I0001 do%i0080) nie są dostępne dla użytkownika. Osoby przyzwyczajone do numerowania w programie wejść cyfrowych począwszy od %I0001 powinny przesunąć zarezerwowany obszar do innej części pamięci przez podanie innej wartości w polu Status Address. Maksymalna akceptowana przez sterownik VersaMax z CPUE05 wartość to %I1969 (2048 79, gdzie 2048 to maksymalna wartość dla zmiennej typu %I). 3. Nacisnąć klawisz funkcyjny F7 lub wybrać opcję Target/Validate F7 w celu sprawdzenia całej konfiguracji. Tabela 2. Parametry modułów Ethernet poszczególnych sterowników PLC_1 PLC_2 Configuration Mode TCP/IP TCP/IP IP Address 10.10.2. 1 10.10.2. 2 Subnet Mask 255.255.255.0 255.255.255.0 Gateway IP Address 0.0.0.0 0.0.0.0 Konfiguracja sterowników VersaMax przeprowadzona w programie Proficy Machine Edition musi zostać przesłana do pamięci sterownika PLC. W tym celu należy w pierwszej kolejności wybrać typ łącza do komunikacji komputera PC ze sterownikami PLC: 1. W oknie Navigator wybrać docelowy sterownik (Target) identyfikowany poprzez nazwę nadaną w punkcie 3 konfiguracji sprzętowej sterowników GE FANUC. Kliknąć prawym przyciskiem myszy i wybrać opcję Properties lub przełączyć zakładki znajdujące się pod oknem Navigator z Navigator na Inspector (patrz rys. 4). Spowoduje to otwarcie okna Inspektor, zawierającego właściwości podsystemu. 2. W oknie Inspector, ustawić parametr Physical Port na Ethernet (domyślnie występuje COM). 6

3. W polu IP Address wprowadzić adres IP zgodnie z tabelą 2. Powyższe trzy punkty należy powtórzyć dla każdego ze sterowników. W efekcie uzyskujemy możliwość przesłania poprzez Ethernet zarówno konfiguracji jak i aplikacji oraz danych. UWAGA!!! Konfiguracja sprzętowa oraz aplikacje powinny być zapisywane do pamięci RAM, a nie Flash. Ze względu na charakter stanowiska i liczbę osób przy nim pracujących, wydłuży to czas użytkowania sterowników VersaMax. Po prawidłowej konfiguracji łącza komunikacyjnego przesłanie konfiguracji sprzętowej do sterownika wymaga: 1. Aktywacji sterownika. Należy nacisnąć prawy klawisz myszy na docelowym sterowniku i wybrać opcję Set as Active Target. 2. Ustawienia sterownika w tryb on-line. Należy nacisnąć prawy klawisz myszy na docelowym sterowniku i wybrać opcję Go Online. 3. Ustawienia sterownika w trybie programatora. Należy nacisnąć prawy klawisz myszy na docelowym sterowniku i wybrać Online Commands/Set Programmer Mode. 4. Zatrzymania sterownika. Należy nacisnąć prawy klawisz myszy na docelowym sterowniku i wybrać Online Commands/Stop PLC. 5. Przesłania konfiguracji do pamięci sterownika. Należy nacisnąć prawy klawisz myszy na docelowym sterowniku i wybrać Download to PLC. Rys. 4. Wybór łącza do komunikacji komputera ze sterownikiem VesraMax 4. Wymiana danych w sieci rozproszonej Rodzaj i liczba danych wymienianych pomiędzy poszczególnymi sterownikami PLC w sieci rozproszonej zależy od przyjętych założeń i zadań algorytmów pomiarowo-sterujących. Przed przystąpieniem do konfiguracji wymiany danych w sieci należy ustalić ilości i typy zmiennych oraz kierunki ich przepływu. Każdy sterownik może być producentem oraz konsumentem danych w sieci rozproszonej. Na rys. 5. przedstawiono przykładową ideę wymiany danych w sieci Ethernet pomiędzy dwoma sterownikami VersaMax znajdującymi się na stanowisku laboratoryjnym. Szczegółowy charakter transmisji jest następujący: Sterownik PLC_1 jest konsumentem danych o wartości napięć VOut1 i VOut2 na poszczególnych stopniach sterowanego układu oraz producentem danych zawierających wartości sterowania VIn 7

dla sterownika PLC_2. Dane produkowane przed przesłaniem do sieci zapisywane są w 16 bitowym rejestrze: %R1 (sterowanie). Sterownik PLC_2 jest konsumentem danych zawierających wartość sterowania VIn dla układu inercyjnego II rzędu oraz producentem danych o wartości napięć VOut1 i VOut2 na poszczególnych stopniach sterowanego układu. Dane produkowane przed przesłaniem do sieci zapisywane są w 16 bitowych rejestrach: %R1 (wartość napięcia pierwszego stopnia) i %R2 (wartość napięcia drugiego stopnia). UWAGA!!! Rzeczywista konfiguracja połączeń elektrycznych pomiędzy sterownikami a obiektem może się różnić od tej przedstawionej na rysunku. Zatem przedstawiony sposób konfiguracji wymiany danych w sieci Ethernet należy traktować jako wzorcowy do realizacji aplikacji na laboratorium. Rys. 5. Przykładowy schemat wymiany danych poprzez sieć Ethernet. Realizacja praktyczna powyższych założeń wymaga przeprowadzenia konfiguracji wymiany danych w programie Proficy Machine Edition. W tym celu należy: Sterownik PLC_1 1. W oknie Navigator wybrać jako aktywną konfigurację sterownika PLC_1. Kliknąć prawy przycisk myszy i wybrać opcję Add Component/Ethernet Global Data. W efekcie w konfiguracji pojawi się nowa zakładka Ethernet Global Data z opcjami Consumed Exchanges oraz Produced Exchanges. 2. Wybrać Ethernet Global Data, nacisnąć prawy przycisk myszy i wybrać opcję Properties. W oknie Inspector w polu Local Producer ID wpisać 10.10.2.1. 3. Wybrać Produced Exchanges i kliknąć na niej prawym przyciskiem myszy. Uruchomić opcję New i nadać nowo utworzonej wymianie nazwę np. SendControl. 4. Dwukrotnie kliknąć lewym przyciskiem myszy na SendControl. Otworzy się nowe okno, w którym określimy miejsca w pamięci sterownika, z których dane wysyłane przez sieć (produkowane) mają być odczytywane. 5. Wybrać przycisk Add i w pola Ref Address oraz Length nowo dodanego wiersza wpisać odpowiednio %R0001 i 1. 6. W oknie Navigator wybrać Ethernet Global Data/Produced Exchanges/SendControl kliknąć prawym przyciskiem myszy i wybrać Properties. Otworzy się okno Inspector. W pole Destination Type wpisać IP Address natomiast w pole Destination 10.10.2.2. 7. Wybrać Consumed Exchanges i kliknąć na niej prawym przyciskiem myszy. Wybrać New i nadać nowo utworzonej wymianie nazwę np. ReceivedVoltages. 8

8. Dwukrotnie kliknąć lewym przyciskiem myszy na ReceivedVoltages. Otworzy się nowe okno, w którym określimy miejsca w pamięci sterownika, do których dane docierające przez sieć (konsumowane) mają być zapisywane. 9. Wybrać przycisk Add i w pola Ref Address oraz Length nowo dodanego wiersza wpisać odpowiednio %R0002 i 1. 10. Punkt 9 powtórzyć dla rejestru %R0003. 11. W oknie Navigator wybrać Ethernet Global Data/Consumed Exchanges/ReceivedVoltages kliknąć prawym przyciskiem myszy i wybrać Properties. Otworzy się okno Inspector. W polu Producer ID wpisać 10.10.2.2. 12. Nacisnąć klawisz funkcyjny F7 lub wybrać opcję Target/Validate F7 z menu głównego w celu sprawdzenia konfiguracji. Rys. 6. Konfiguracja wymiany danych dla sterownika PLC_1 Sterownik PLC_2 1. W oknie Navigator wybrać jako aktywną konfigurację sterownika PLC_2. Kliknąć prawy przycisk myszy i wybrać opcję Add Component/Ethernet Global Data. W efekcie w konfiguracji pojawi się nowa zakładka Ethernet Global Data z opcjami Consumed Exchanges oraz Produced Exchanges. 2. Wybrać Ethernet Global Data, nacisnąć prawy przycisk myszy i wybrać opcję Properties. W oknie Inspector w polu Local Producer ID wpisać 10.10.2.2. 3. Wybrać Consumed Exchanges i kliknąć na niej prawym przyciskiem myszy. Wybrać New i nadać nowo utworzonej wymianie nazwę np. ReceivedControl. 4. Dwukrotnie kliknąć lewym przyciskiem myszy na ReceivedControl. Otworzy się nowe okno, w którym określimy miejsca w pamięci sterownika, do których dane docierające przez sieć (konsumowane) mają być zapisywane. 5. Wybrać przycisk Add i w pola Ref Address oraz Length nowo dodanego wiersza wpisać odpowiednio %R0001 i 1. 6. W oknie Navigator wybrać Ethernet Global Data/Consumed Exchanges/ReceivedControl kliknąć prawym przyciskiem myszy i wybrać Properties. Otworzy się okno Inspector. W polu Producer ID wpisać 10.10.2.1. 7. Wybrać Produced Exchanges i kliknąć na niej prawym przyciskiem myszy. Uruchomić opcję New i nadać nowo utworzonej wymianie nazwę np. SendVoltages. 8. Dwukrotnie kliknąć lewym przyciskiem myszy na SendVoltages. Otworzy się nowe okno, w którym określimy miejsca w pamięci sterownika, z których dane wysyłane przez sieć (produkowane) mają być odczytywane. 9. Wybrać przycisk Add i w pola Ref Address oraz Length nowo dodanego wiersza wpisać odpowiednio %R0002 i 1. 10. Punkt 9 powtórzyć dla rejestru %R0003. 9

11. W oknie Navigator wybrać Ethernet Global Data/Produced Exchanges/SendVoltages kliknąć prawym przyciskiem myszy i wybrać Properties. Otworzy się okno Inspector. W pole Destination Type wpisać IP Address natomiast w pole Destination 10.10.2.1. 12. Nacisnąć klawisz funkcyjny F7 lub wybrać opcję Target/Validate F7 z menu głównego w celu sprawdzenia konfiguracji. W celu sprawdzenia czy konfiguracja wymiany danych została przeprowadzona poprawnie należy: Wymiana danych sterownik PLC_1 sterownik PLC_2 1. Zaprogramować kolejno wszystkie sterowniki (patrz przesłanie konfiguracji w rozdziale 2). Należy pamiętać, aby sterowniki przełączyć w tryb RUN!!! 2. Wybrać jako aktywny sterownik PLC_2. 3. Wybrać zakładkę Reference View Tables/Default Tables/Registers w oknie drzewa projektu dla sterownika PLC_1, a następnie dwukrotnym kliknięciem myszy otworzyć okno monitoringu/zmiany wartości rejestrów typu %Rxxxxx(xxxxx numer rejestru). 4. Wprowadzić dowolną wartość z dopuszczalnego zakresu w polu %R0001 np. 1000 jak pokazano na Rys. 8. 5. Wybrać zakładkę Reference View Tables/Default Tables/Registers w oknie drzewa projektu dla sterownika PLC_2, a następnie dwukrotnym kliknięciem myszy otworzyć okno monitoringu/zmiany wartości rejestrów typu %Rxxxxx(xxxxx numer rejestru). 6. Odczytać wartość rejestru %R0001. Powinna być ona identyczna z wartością wprowadzoną w punkcie 4. 7. Podobną analizę poprawności wymiany danych sterownik PLC_2 sterownik PLC_1 można przeprowadzić dla rejestrów %R0002 i %R0003. Konfiguracja panelu dotykowego LCD AS43TFT04xx Konfigurację panelu dotykowego LCD AS43TFT04xx należy przeprowadzić z wykorzystaniem aplikacji Astraada HMI CFG. W celu stworzenia nowego projektu należy: 1. Uruchomić program Astraada HMI CFG. 2. Wybrać opcję menu File -> New w celu utworzenia nowego projektu. Otworzy się okno, w którym należy wpisać nazwę projektu oraz miejsce na dysku, w którym zostanie on zapisany. Następnie nacisnąć przycisk Dalej. 3. W kolejnym oknie należy wpisać nazwę tworzonej aplikacji i kolejno wybrać: wielkość ekranu panelu HMI jako 4.3, model panelu AS43TFT04xx. Następnie wybrać przycisk Dalej. 4. W następnym oknie ustalamy: typ łącza do komunikacji pomiędzy HMI a urządzeniem docelowym np. PLC_1 ( Łącze bezpośrednie (Ethernet) ), typ komunikacji Urządzenie/Serwer ( GE Corporation i SRTP Ethernet ) oraz port łącza ( Ethernet 1 ). W celu zakończenia konfiguracji wybrać Zakończ. 10