PLC -programovatelné automaty

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,….

Počítačem řízená výroba a PLC

Technologický proces ( TP )

„Pole“ - polní instrumentace (senzory, aktory, speciální měřicí přístroje)

Přímé řízení (PLC, DCS, RTU, CNC, iPC aj.)

Supervize(SCADA)

….

……...

MES

MRP/ERP

Plánování výrobních (podnikových) zdrojů

Řízení/sledování výroby

Řízení/sledování výrobní buňky

Řízení stroje/zařízení

1.

2.

3.

4.

Počítačem řízená výroba -základní zkratky

• CIM - Computer Intregrated Manufacturing

• DCS - Digital Control System

• RTU - Real Time Unit

• CNC - Computer Numeric Control

• SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition

• MES - Manufacturing Execution System

• MRP/ERP - Manufacturing/Enterprice Resource System

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

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

Třídění PLC

Hlediska :

• velikost (počet I/O)

• provedení

• počet procesorů

Typy PLC - podle provedení

• kompaktní - vše v jednom pouzdře

• modulární- různé typy modularity– samostatné moduly– zásuvné karty v různých velikostech

• se zabudovaným operátorským panelem (tzv. OPLC), někdy též „pracovní stanice“(např. Teco: TECOMAT TC500, Siemens: SIMATIC C7)

Typy PLC - podle 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 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 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

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

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“)

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

Pozor při programování!

• reakční doba na změnu hodnoty senzoru až dvojnásobek doby pro vykonání cyklu - může být problém u časově kritických úloh

• záleží na pořadí instrukcí nad stejnými proměnnými - na výstup se posílá vždy naposledy zpracovaná proměnná (viz skriptum Řízení programovatelnými automaty II)

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

Kombinované moduly binárních vstupů a výstupů

• pro doladění konfigurace potřebám aplikační úlohy

• někdy možno nakonfigurovat které z konkrétních připojovacích míst bude vstupní a které výstupní ( např. FESTO FEC 34)

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

Čítačové moduly

pro čítání pulsů s periodou srovnatelnou či kratší než je doba vykonání jednoho „scanu“ (f až 102 kHz)

• universální• pro inkrementální snímače polohy• pro absolutní snímače polohy• někdy jeden až dva rychlé (čítačové ) vstupy i

u menších kompaktních PLC

Polohovací moduly

• pro snímání polohy a řízení jedné či dvou souvislých os

• pro řízení pohybu po naprogramované dráze

• parametry (polohy, rychlosti, zrychlení) zadávány z CPU

• výpočty prováděny v polohovací jednotce

Speciální moduly

• moduly regulátorů

• moduly pro aplikaci fuzzy logiky a fuzzy regulace

• moduly pneumatických výstupů

• modul pro vstup z CCD kamery …..

• ??????

Komunikační modulypro komunikaci s podřízenými, souřadnými i

nadřízenými systémy např.

• inteligentními senzory a akčními členy

• vzdálenými moduly vstupů a výstupů

• operátorskými panely

• dalšími PLC

• PC

vytváření distribuovaných systémů řízení

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

Systémové programové vybavení II

Pro správné využití možností určitého OS nutno dodržovat specifická pravidla, např. :

• pro vzájemné spouštění a odstavování programů (procesů,úloh)

• pro předávání dat

Každý OS poskytuje pro použití v uživatelských programech soubor tzv. systémových služeb

Systémové programové vybavení Tecomatů I

• multitasking s přerušením

• umožněno speciální konstrukcí uživatelského programu - skládá se z řady uživatelských procesů

• jejich provádění v dané smyčce podmíněno předdefinovanou logikou

• aktivaci jednotlivých procesů řídí OS

Systémové programové vybavení Tecomatů II

• proces zařazen do struktury, pokud je naprogramován

• použijeme-li jen P0 - klasický jednoúlohový systém

• při vstupu do řešení kteréhokoliv z procesů P0 až P40, P62, P63, P64 je aktivní uživatelský zásobník vynulován

Spolupráce procesů a OS u TecomatůZapnutí

Reset

Zapínací sekvenceTesty systému

Inicializace

OS

UP

Otočka cykluvyslání Y, sejmutí X

aktualizace Skomunikace

Restart?ano

ne

P0

Teplý?ne

ano

P62 P63

P5 P6 P7 P8 P9

P1 P2 P3 P4

P10

P11

P40

P64

S25.1

S25.2

S28.7 EOC

P60

Násilný konec cyklu

Závažná chyba

Odpojení výstupůSepnutí kontaktu ERR havarijního relé

Signalizace chybyKomunikace s PCČekání na restart

Zapnutí

Ošetření závažné chyby

P41 P42 P43

čas vstup chyba

návrat

Ošetření přerušení

Uživatelské procesy programové smyčky - I

Základní charakteristiky procesů:

• pořadí aktivace ve smyčce

• označení

• přiřazení ke skupině procesů

• funkce

• podmínka aktivace

Uživatelské procesy programové smyčky -II

1.

• P0

• základní proces (úvodní proces)

• vždy, kromě restartu s P62 nebo P63

• pozn. v tomto procesu může být naprogramována v krajním případě i celá aplikace

Uživatelské procesy programové smyčky - III

2.• P1, P2, P3, P4• čtyřfázově aktivované procesy:• oddělení činností, u kterých není žádoucí

souběh• zkrácení doby cyklu rozdělením uživatelského

programu do těchto procesů• cyklicky se střídají

Uživatelské procesy programové smyčky IV3.

• P5, P6, P7, P8, P9

• časově prokládané procesy

• činnosti typu jednou za čas– P5 - po 400ms 1j– P6 - po 3,2s x8– P7 - po 25,6s x8– P8 - po 3,4min x8– P9 - po 27,2min x8

Uživatelské procesy programové smyčky V

4.,5., …….n.

• P10, P11, …., P40

• uživatelsky aktivované procesy

• široké možnosti použití u rozhodovacích činností

• logické i funkční rozdělení programu

• nastavení příslušné řídicí masky v systémových registrech S25.1 až S28.7

Uživatelské procesy programové smyčky VI

n+1

• P64

• závěrečný proces cyklu

• činnosti související s koncem cyklu

• vždy, kromě restartu P62 nebo P63

Přerušení I

• velmi účinný prostředek

• umožňuje zkrátit odezvu systému na kritické situace

• kterýkoliv z běžných procesů smyčky může být přerušen některým z přerušovacích procesů P41 až P46

P0 P42

Přerušení II

• instrukce rozpracovaná v okamžiku přerušení se dokončí a po ní je provedena první instrukce přerušujícího procesu

• po instrukci E, (EC,ED) v přerušujícím procesu pokračuje přerušený proces

• přerušující proces nemění stav žádné úrovně aktivního zásobníku

Přerušující procesy I (CPU řady M, S, D a B)

• priorita aktivace

• označení

• typ přerušení

• funkce

• podmínka aktivace

Přerušující procesy II

1.

• P43

• přerušení od chyby

• ošetření vzniklé chyby

• vznik chyby

Přerušující procesy III2.

• P42

• přerušení od periferního vstupu

• okamžitá odezva na změnu stavu technologie s aktivovaným přerušením

• NS950 - změna na vstupu 0.0

• NS946,TC500,TC600 -změna z log. 1 na log. 0 na některém z rychlých vstupů

Přerušující procesy IV

3.

• P41

• přerušení od času

• činnosti vyžadující pravidelné opakování častější, než umožňuje doba cyklu

• každých 10 ms

Přerušující procesy V

4.

• P44

• přerušení od čítače vnějších událostí

• činnosti navazující na příchod určitého počtu impulsů

• NS946 - přetečení čítače CPU

Přerušující procesy VI

5.

• P45

• přerušení od sériového kanálu CH2 v režimu uni

• příjem zprávy (PLC obsahující systémový kanál CH2 - kromě NS946)

Přerušující procesy VII

6.

• P46

• přerušení od sériových kanálů CH3 až CH6 v režimu uni

• příjem zprávy (PLC obsahující systémové kanály CH3 a další)

Ostatní procesy I

• označení

• funkce

• podmínka aktivace

Ostatní procesy II

• P62– teplý restart - zachování remanentních

registrů• P63

– studený restart - inicializace proměnných a počátečního stavu

• první cyklus po restartu s nastaveným požadavkem na typ restartu

Ostatní procesy III

• P50 až P57

• ošetření ladicího bodu

• možnost uložení stavu proměnných při ladění

• instrukce BP0 ažBP7

Ostatní procesy IV

• P60

• balík podprogramů

• neaktivují se automaticky, vyvolávají se podle potřeby z různých procesů

Systémové služby Tecomatů I• zvyšují komfort programování

• zkracují dobu nutnou pro nasazení systému do technologie

• k dispozici v souboru systémových registrů

• ochrana dat při vypnutí napájení PLC - zálohované registry - (remanentní zóna) -mají hodnotu dosaženou po poslední ukončené smyčce uživatelského programu -konzistence dat

Systémové služby Tecomatů II

• důležitá i lokalizace závad

• dvě kategorie závad podle závažnosti

• kritické závady -řízené zastavení činnosti PLC

• ostatní závady -na vědomí v systémovém registru -možná bezprostřední reakce uživatelského procesu (P10 až P40) nebo přerušovacího prcesu P43

Systémové registry Tecomatů I

• příznaky výsledků aritmetických operací

• příznaky výsledků logických operací

• příznaky stavu systému

• doba minulého cyklu

• čítač cyklů

• řídicí masky uživatelských procesů P

• interní kód chyby

Systémové registry Tecomatů II

• čas systému (hodiny,minuty, sekundy, desítky milisekund)

• datum (rok, měsíc, den, den v týdnu)

• časové střídače

• náběžné a sestupné hrany časových střídačů

• čítače po 100 ms, 1 s a 10 s

Aplikace uvedeného rozvržení

• mnohostranné použití

• obsluha různých režimů stroje (ručně, automaticky)

• obsluha tlačítek operátorského panelu

• obsluha chyb (v semestrální práci jeden koncový senzor „porouchán“-nutno ošetřit)