PLC -programovatelné automaty

PLC -programovatelné automaty

Automatizační technika

Bloková struktura programovatelného automatu

Definice PLC podle IEC 1131-1

Programovatelný logický automat (PLC) je číslicový elektronický systém navržený pro použití v průmyslovém prostředí, který používá programovatelnou paměť pro uložení uživatelsky orientovaných instrukcí sloužících k implementaci specifických funkcí, jako jsou logické funkce, funkce pro vytváření sekvencí, funkce pro časování, funkce pro čítání a funkce pro aritmetické výpočty, a to za účelem řízení různých typů výrobních strojů a procesů pomocí číslicových a analogových vstupů a výstupů

Funkce PLC

Různá označení pro PLC

• PLC - Programmable Logic Controller

• PC - Programmmable Controller

• SPS - Speicher Programmierbare Steuerung

• FPC - Free Programmable Controller

• PA - Programovatelný automat

• špatné překlady: kontrolér, řadič, regulátor,….

Vznik PLC

• 1968 - inženýři v automobilce General Motors hledali alternativní řešení ke komplexním elektromechanickým (reléovým) řídicím systémům

nevýhody reléového řízení: • pevné propojení• obtížná změna řídicí funkce• nákladné uvádění do provozu a údržba

Požadavky na nový řídicí systém

• jednoduché programování

• změny programu beze změn v zapojení

• menší, levnější a spolehlivější než odpovídající reléové řízení

• jednoduché uvádění do provozu

• jednoduchá a levná údržba

První PLC (sedmdesátá léta)

• jednoduchý systém umožňující připojení a zpracovávání binárních signálů

• pouze logické operace

• jednobitový procesor

• programování v grafickém jazyku podobném reléovým schématům zapojení (rekvalifikace dělníků)

PLC dnes

• průmyslový mikropočítač přizpůsobený nasazení v podmínkách průmyslové výroby

• odolný proti rázům, prachu, výkyvům teplot,vlhkosti, elekrickému i elekromagnetickému rušení

• klíčový prvek průmyslové automatizace

Třídění PLC

Hlediska :

1. velikost (počet I/O)

2. provedení

3. počet procesorů

Typy PLC - podle 1. velikosti I

• mikro PLC - (někdy název programovatelná relé) do 20 I/O, malá paměť, bez možnosti komunikace (např. Siemens: LOGO!, Mitsubishi: ALFA, Moeller: EASY)

• malá PLC (někdy označení mikro) - do 128 I/O, některá velmi výkonná i s možností komunikace (např. Festo: FEC20, FEC30, Siemens: S7-200, Teco: TECOMAT TC600 )

Typy PLC -podle 1. velikosti II

• střední výkonnostní třída - 128 až 512 I/O modulární provedení (např. Siemens SIMATIC S7-300, Festo FPC 404)

• nejvyšší výkonnostní třída - až tisíce I/O, vždy modulární provedení, velký formát karet (např. Festo FPC 405, Siemens SIMATIC S7-400)

• trend: distribuované systémy řízení

Typy PLC - podle 2. provedení

• kompaktní - vše v jednom - napájecí zdroj, CPU a vstupy a výstupy jsou v jednom modulu, PLC lze rozšiřovat pomocí dalších funkčních modulů

• modulární- různé typy modularity - napájecí zdroj, CPU a vstupy a výstupy jsou v samostatných modulech, tato PLC lze rozšířit o více modulů než kompaktní PLC

Kompaktní PLC - uživatelský pohled

Vstupy

Výstupy

Ovládací prvky (RUN, STOP) a seřizovací prvky

(trimmer)

Diagnostika chodu

Komunikačníkanály

LED-vstupy

LED-výstupy

Pouzdro

Pouzdro

Kompaktní PLC:

• pouzdro, kazeta, vana

• montáž na lištu DIN do rozvaděče

• svorkovnice

• rozšíření pomocí kompaktních rozšiřujících modulů

Kompaktní PLC a rozšiřující modul

Modulární PLC - uživatelský pohled - tzv. konfigurace

Základní rám

Rozšiřující rám

Modul napájení Modul CPU Signálové moduly(binární, analogové)

Signálové moduly Komunikační moduly Speciální moduly

Expanzní (propojovací) moduly

Základní a rozšiřující rám

Modulární PLC:

• rám, nosná deska, lišta

• systémová a napájecí sběrnice

• zásuvné moduly (periferní jednotky)

• rozšiřující rám

• expanzní moduly (umožňují propojení základního a rozšiřujícího rámu)

• různé šířky rámů (11“,13“,15“,19“)

Modulární PLC

Typy PLC-podle 3. počtu procesorů

• Jednoprocesorová - některá mohou umožňovat i multitasking (kvaziparalelní běh několika procesů)

• Víceprocesorová - většina modulárních PLC (komunikační a speciální moduly mají většinou vlastní procesor) - je možný multiprocessing (paralelní běh několika procesů), např. FESTO FPC 404

Aplikační oblasti PLC

Podle časopisu Control Engineering :

• 87 % pro řízení strojů

• 58 % pro řízení procesů

• 40 % pro řízení pohybů

velká aplikační oblast budoucnosti:

• řízení budov

PLC hardware

Obvyklá výstavba kompaktních a modulárních PLC a související

problematika

Zdroj

• nejčastěji 24 V DC nebo 230 V AC

• buď integrován v modulu CPU

• nebo v samostatném modulu

• řada modulů zdrojů s různými výkony (podle potřeby dalších periferních jednotek)

pozor na správnou konfiguraci!

(vyspělá programovací prostředí podporují správný výběr zdrojového modulu )

Centrální procesorová jednotka - -CPU (Central Processor Unit)

• jádro PLC určující výkonnost

• jednoprocesorová i víceprocesorová (matematické koprocesory, komunikační procesory, vstupně-výstupní procesory)

• operační rychlost posuzována podle doby cyklu (doba zpracování 1000 logických instrukcí) … 10-1 až 101 milisekund

• různá CPU pro daný typ automatu (rychlost, oper. paměť, cena)

Cyklické vykonávání programu

1.

2.

3.4.

1. Čtení vstupů

2. Zpracování programu

3. Vysílání výstupů

4. Režie systému(aktualizace systémových proměnných, komunikace)

1+2+3+4=“scan”, smyčka, cyklus

Cesta I/O signálů v PLC

Input Image(obraz vstupů)

Output Image(obraz výstupů)

Program pro PLC

Input Modul

Output Modul

Senzor

Aktor

CPU - paměťový prostor• Systémová paměť - systémový program,

(operační systém) - EPROM• Paměť dat - systémové registry, uživatelské

registry, zápisníkové registry ( merkery, flagy), čítače, časovače, vyrovnávací registry pro obrazy vstupů a výstupů (Input Image, Output Image) - RAM (RWM)

• Uživatelská paměť- uživatelský program (soubor tzv. procesů) - EPROM (EEPROM)

Moduly binárních (digitálních) vstupů - DI-princip

Vstupní signálz TP

Signál přicházející do CPU

Detekce chybného

napětí

Zpoždění signálu

(filtrace)

Optočlen (fotodioda

+ fototranzistor)

Signalizace (LED)

Galvanické oddělení

Moduly binárních (digitálních) vstupů - DI - typy

• stejnosměrné: 5V, 12V,24V,48V

• střídavé: 24V,48V, 115V,230V

• uspořádání do skupin po 4, 8, 16, 32

• společný vodič pro napětí kladné resp. záporné polarity (pro senzory s výstupním tranzistorem typu PNP resp. NPN)

Moduly binárních (digitálních) výstupů -DO-princip

Signál přicházející od CPU

Výstupní signáldo TP

Ochrana před zkratem

Zesílení signálu

Optočlen (fotodioda

+ fototranzistor)

Signalizace (LED)

Galvanické oddělení

Moduly binárních (digitálních) výstupů - DO - typy• pro stejnosměrné spínané napětí se spínacími

prvky tranzistorovými typu NPN i PNP: 24V,48V

• pro střídavé spínané napětí : 24 až 250V AC,24 až 48V AC, 115V až 230V AC se spínacími jednotkami triakovými

• pro stejnosměrné i střídavé napětí (do 250 V AC/ 60V DC) se spínacími prvky reléovými

Analogové vstupní moduly (AI)

• např. pro připojení senzorů teploty, vlhkosti, tlaku, hladiny, síly, polohy, rychlosti

• důležitá část: A/D převodník (šířka 8 nebo 12 bitů) - přesnost převodu

• některé s galvanickým oddělením

• specializované typy (pro termočlánky či odporové teploměry)

Analogové výstupní moduly (AO)• pro ovládání akčních členů či zařízení se spojitým

vstupním signálem - např. servopohony, frekvenční měniče, ručkové měřicí přístroje …

• D/A převodník (8 nebo 12 bitů)• napěťové• proudové - aktivní - akční člen napájen

přímo z automatu, omezen jeho max. odpor

- pasivní- akční člen musí mít vlastní zdroj proudu

PLC -SW vybavení

Systémové programové vybavení

Uživatelské programové vybavení

Systémové programové vybavení I

• Systémový program (operační systém - OS) HW závislý - každý výrobce jiný systém

• jednoúlohové zpracovávání uživatelského programu bez přerušení

• víceúlohové zpracovávání (multitasking) na jednom procesoru příp. i s přerušením

• víceúlohové zpracovávání (multitasking) na více procesorech včetně přerušení

Časovače

Časovače

Časovače

Čítače

Čítače

Tlačítka