PRAUT - 2007-08 - Predavanje02

8/19/2019 PRAUT - 2007-08 - Predavanje02

1/39

Praktikum automatizacije

Predavanje 02 – Arhitektura

programirljivih logičkih kontrolera


2/39

Praktikum automatizacije -- Predavanje 02 2

Sažetak Predavanja 01• Kod sustava automatizacije složenijih tehničkih

procesa informacijsko-komunikacijski sustavizgrađuje se modularno i hijerarhijski

• I sama procesna računala kod ovakvih sesustava izvode modularno i nazivamo ih

programirljivim logičkim kontrolerima• Modularnost omogućuje:

– smanjenje cijene razvoja sklopovskog dijela sustava

– visoka pouzdanost modula omogućuje pouzdanostsustava u cjelini

– korištenje gotovih programskih blokova priprogramiranju modula


3/39


Pregled predavanja 02• Kratak povijesni pregled razvoja PLCa

• Tipična arhitektura programirljivih logičkih

kontrolera

– Organizacija procesora i memorije – Organizacija ulazno-izlaznih jedinica

• Način rada PLCa

• Glavni svjetski proizvođači


4/39


Povijesni pregled (1)• Prije pojave PLC-a se za upravljanje tehničkim

procesima u industriji upotrebljavalo fiksno ožičene

relejne ormare• Pri složenijoj logici upravljanja pritom se pojavljuju

problemi

– Složeno ožičenje

– Traženje pogreške kod neispravnog funkcioniranja sustava

– Naknadne preinake sustava

– Vijek trajanja mehaničkih kontakata

– Prostorno zauzeće

– Potrošnja energije

Slika 2.1. Relej


5/39


Relejna izvedba AND funkcije• Svjetlo H1 treba svijetliti kada su oba

tipkala, i S1 i S2, pritisnuta

H1S1 S2


6/39


Povijesni pregled (2)• Razvoj digitalnih računala tijekom 50-tih i 60-tih

motivira da se relejna logika zamijeni računalom• Ta računala potpuno trebaju funkcionalno

zamijeniti relejnu logiku te istodobno otkloniti

njihove nedostatke• Zahtjevi: – Jednostavno programiranje (prikladno za pogonsko

osoblje)

– Jednostavno pronalaženje grešaka u programu

– Jednostavno održavanje

– Pouzdan rad u industrijskim uvjetima


7/39


Izvedba AND funkcije PLC-om• Svjetlo H1 treba svijetliti kada su oba

tipkala, i S1 i S2, pritisnuta

ul1

ul2

iz1

S1

S2

H1

Program:

iz1:=ul1&ul2

PLC


8/39


Povijesni pregled (3)• Krajem 60-tih tvrtka Bedford Associates proizvodi

Modular Digital Controller (MODICON) kao prvi

komercijalni PLC – Programiranje u početnim PLCima odgovaralo je crtanju relejne

sheme koju se PLCom zamjenjuje (ljestvičasti dijagrami)

• U 70-ima razvojem procesora i PLC-i postaju računski

moćniji (arhitekturi se nadodavaju vremenski sklopovi,brojila, mogućnost obavljanja aritmetičkih operacija)

• Također se pojavljuju mogućnosti povezivanja PLC-akomunikacijskim mrežama i obradbe analognihprocesnih signala

• U 80-ima pojavljuju se programski paketi koji omogućujuprogramiranje PLC-a s osobnih računala umjesto putemručnih programiralica ili za to predviđenih terminala


9/39


Povijesni pregled (4)• Konačno, 90-te godine donose

standardizaciju – na područ ju mrežnih komunikacijskih

protokola: mogućnost povezivanja

komponenata različitih proizvođača (Profibus)

– po pitanju programskih jezika za

programiranje PLC-a: lista instrukcija,

funkcijski blokovski dijagram, ljestvičasti

dijagram


10/39


Povijeni pregled (5)• 2000.-te – napredak komunikacijskih

tehnologija: – Profibus-DP mreža omogućuje prijenos informacija s

digitalnih i analognih senzora u PLC u stvarnom

vremenu – drastič

no smanjenje troškova kabliranja – Profinet mreža koja spaja svojstva Profibus-DP mreže

za rad u stvarnom vremenu sa svojstvima Industrial

Ethernet mreže za prijenos većih količina podataka

• Automatizacija u industriji postala je bez PLC-a

nezamislivom


11/39


Arhitektura PLC-a• Arhitektura PLC-a u

osnovi je standardnaarhitektura digitalnog

računala koja se

sastoji od – Procesora (CPU)

– Memorije

– Ulazno/izlaznihuređaja (I/O)

– Sabirnice

CPU

Memorija

I/O

sabirnica


12/39


Procesor PLC-a• Posjeduje mogućnost aritmetike i s cjelobrojnim i

s realnim podacima

• Po broju dostupnih instrukcija bliži CISCprocesorima

• Sastoji se od

– Registara (akumulatori, adresni registri, registri sazastavicama,...) – svi registri nisu vidljivi programeru

– Aritmetičko-logičke jedinice (ALU) – aritmetički/logičkiobrađuje podatke iz akumulatora i rezultat vraća u

jedan od akumulatora – Upravljačke jedinice – dekodira instrukcije i

sinkronizira mehanizme u procesoru


13/39


Operacijski sustav PLC-a• Proizvođači s PLC-om isporučuju i njegov operacijski

sustav (firmware) koji je pohranjen u interni ROM

• Po priključenju napajanja na PLC, procesor počinjeizvoditi instrukcije operacijskog sustava – Procesor će izvoditi i korisnički program samo onda kada je u

tzv. RUN modu rada

– U tzv. STOP modu rada obavljaju se isključivo naredbeoperacijskog sustava

• Postojanje operacijskog sustava uvelike olakšavaprogramiranje i rukovanje PLC-om – Spremanje konteksta pri pozivu potprograma i obradi prekida,

dijagnostika, očitavanje ulaza, pisanje na izlaze – sve te radnjeobavljaju se na razini operacijskog sustava


14/39


Memorija PLC-a• U memoriju PLC-a

spremljeni su kôd,korisnički i sistemskipodatci, te slike stanjaulaza/izlaza

• Memorija PLC-a sastojise od ROM-a i RAM-a – I ROM i RAM mogu se

sastojati od više adresno ifizički razdvojenihmemorijskih polja

ROM

RAM

Operacijski sustav

Backup za kôd ipodatke kod power-off

Slike stanja ulaza/izlaza

Kôd kojeg se izvodi i

korisnički podatci

Zastavice opće namjene

Counter-i

Timer-i

Sistemski podatci


15/39


Memorija PLC-a i operacijski

sustav

• Programeru je na razini operacijskog

sustava zabranjeno programski pristupatimemoriji u kojoj je zapisan kôd

– Kod onih dijelova memorije gdje se mogu

smjestiti i kôd i podatci, smještaj podatakapotrebno je deklarirati

• Programski pristup nepostojećoj

memorijskoj lokaciji u podatkovnom dijeluRAM-a dijagnosticira se na razinioperacijskog sustava kao greška


16/39


Sabirnica• Modul u kojem se nalazi procesor s memorijom

naziva se CPU modul

• Interna sabirnica u CPU modulu sastoji se odadresnih, podatkovnih i kontrolnih linija

• Između CPU modula i ostalih I/O modula kojima

se može proširiti sklopovska konfiguracija PLC-aproteže se tzv. stražnja sabirnica (backplanebus) kojom oni komuniciraju

• Broj modula koje se može povezati stražnjomsabirnicom ograničen je obično na nekolikodesetaka


17/39


Digitalni ulazi/izlaziNapajanje

24 VDC

Napajanje

(ili 24 VDC ili

110/220 VAC)

Napajanje

(ili 24 VDC ili

110/220 VAC)

S

H

Optička

izolacija

Optička

izolacija

u

l

a

z

n

i

mo

d

u

l

i

zl

a

z

n

i

mo

d

u

l

CPU modul

(procesor +

memorija)

5V-tna logika

24 VDC/

110/220 VAC Stražnja

sabirnica

Stražnja

sabirnica


18/39


Interpretacija digitalnih “1” i “0”• Kod digitalnih ulaza/izlaza PLC-a, “1” i “0”

interpretiraju se – naponskim razinama kod istosmjernog napajanja

senzora i aktuatora (24 VDC):• -30 V – 5 V: “0”

• 13 V – 30 V: “1”

– amplitudom napona kod izmjeničnog napajanjasenzora i aktuatora (110/220 VAC):

• 0 V – 40 V: “0”

• 79 V – 260 V: “1”

• Ovako široki naponski pojasi omogućuju vrlorobustan prijenos digitalnih signala priupravljanju i nadgledanju industrijskih procesa


19/39


Optička izolacija ulaza/izlaza• Električki krugovi digitalnih ulaza/izlaza na

pojedinim ulaznim/izlaznim modulima mogu seelektrički izolirati od svih drugih U/I, te od CPUmodula

• To se postiže izvedbom zasebnog napajanja zasvaki modul i njemu pripadne senzore/aktuatore

• Izolacija prema CPU modulu postiže seoptičkom spregom, kod koje se s vanjske logike

(24 VDC ili 110/220 VAC) prelazi na 5V-tnulogiku


20/39


Istosmjerni digitalni ulazi/izlazi

Sučelje prema

stražnjoj

sabirnici

Sučelje prema

stražnjoj

sabirnici

Tipičan modul digitalnih ulaza

(32 digitalna ulaza)

Tipičan modul digitalnih izlaza

(8 digitalnih izlaza)

Mogući

prenaponi kod

isklapanja

induktivnih

tereta!!

Optička sprega

Signalizacija na

modulu

Zaštita

Djelilo Paziti na

maksimalno

dopustivi teret


21/39


Izmjenični digitalni ulazi/izlazi,

relejni digitalni izlazi

Stražnja sabirnica Način izvedbe izmjeničnog digitalnogizlaza

Tipičan modul izmjeničnih digitalnih

ulaza

Sa

stražnje

sabirnice

Relejni digitalni izlaz

Sa

stražnje

sabirnice

+V


22/39


Slike digitalnih ulaza/izlaza u RAM-u• Svakom digitalnom ulazu/izlazu pridružena je jedna

memorijska lokacija u RAM-u PLC-a

• Digitalni ulazi se u određenim vremenskim trenutcimaočitavaju te se ta očitanja upisuju u odgovarajućememorijske lokacije

• Digitalni izlazi u određenim vremenskim trenutcima

osvježavaju se trenutnim stanjem njima pripadnememorijske lokacije u RAM-u PLC-a

• Prijenos informacija od CPU do I/O modula i natragobavlja se komunikacijom u 5V-tnoj logici na stražnjoj

sabirnici• Osvježavanja ulaza/izlaza obavljaju se na razinioperacijskog sustava


23/39


Mapiranje digitalnih ulaza/izlaza• Standard IEC 1131-3 predlaže metodu za

mapiranje digitalnih ulaza i izlaza PLC-a unjegovoj memoriji, koje se proizvođačipridržavaju

• Memorija namijenjena mapiranju ulaza/izlazapodijeljena je na – Sliku ulaza – oznaka I (Input Image Memory)

– Sliku izlaza – oznaka Q (Output Image Memory)

• Također, dio memorije PLC-a predviđen je zainterne zastavice, a označava se s M (InternalMemory)


24/39


Mapiranje digitalnih ulaza/izlaza• Svaka od memorija I, Q i M

može se predstaviti byte-ovno

orjentiranom tablicom

• Memorijske lokacije u I,Q,Madresiraju se u programu nasljedeći način:

Byte Bit

0

1

2

3

i

i+1

i+2

i+3

i+4

01234567

Identifikator

memorijskog

polja

Identifikator

duljine

podatka

Numerička

oznaka početka

podatka

...

...

I,Q,M X ili ništa - bitB – byte (8 bita)

W – word (16 bita)

D – double word (32 bita)

L – long word (64 bita)


25/39


Mapiranje digitalnih ulaza

(primjeri)

• Na isti način adresiraju sei elementi u memorijskim

poljima Q i M, pričemuse identifikator I zamijeni

s Q odnosno M

Byte Bit

0

1

2

3

i

i+1

i+2

i

+3i+4

01234567

...

...

I2.3 ili IX2.3 (ovisno o proizvođaču)

IB3

IWi

I

IDi+1


26/39


Pridruženje digitalnih ulaza/izlaza i

memorijske slike• Memorijska slika nekog digitalnog ulaza/izlaza

predefinirano je vezana s fizičkim mjestom priključka na

kojeg se taj digitalni ulaz/izlaz spaja

• Moduli digitalnih ulaza/izlaza redaju se nakon CPUmodula u tzv. slotove

• Adresa kopije nekog digitalnog ulaza jednostavno seodređuje preko broja slota u kojem se nalazi pripadnimodul i rednog broja pripadnog fizičkog priključka namodulu

• Programiranje je dodatno olakšano simboličkim nazivimakojima programer imenuje memorijske lokacije, npr.

I0.5 “Pokreni_motor”


27/39


Izvođenje korisničkog programa u

PLC-u• Korisnički program izvodi se na PLC-u samo

kada je on u tzv. RUN-modu• Izvođenjem korisničkog programa (kada je PLCu RUN-u) koordinira operacijski sustav PLC-a

• Postoji nekoliko razina posluživanja prekida uPLC-u

• Kada niti jedan prekid nije aktivan, na najnižojrazini obavlja se korisnički kôd namijenjenneprestanom ponavljanju u tzv. programskomciklusu (scan cycle)


28/39


Programski ciklus• Valja uočiti da se polje I odnosno

digitalni izlazi osvježavaju samo kada sekôd namijenjen neprestanom izvođenju

obavi do kraja• Ukoliko nadzorno vrijeme ciklusa istekneprije ponovnog pokretanja, operacijskisustav zaustavlja izvođenje korisničkogprograma i vraća PLC u STOP mod –sprječava se zaglavljenje u beskonačnojpetlji (“smrzavanje”)

• Posluživanje prekida može značajnoprodužiti vrijeme trajanja ciklusa

• Akcijama u ciklusu na višoj razinikoordinira operacijski sustav(osvježavanje polja I i digitalnih izlaza,koordinacija prekida, spremanjekonteksta kod prekida, pozivipotprograma,...)

Pokretanje nadzornog

vremena ciklusa

Učitavanje stanjadigitalnih ulaza u polje I

Obavljanje

kôda

namijenjenogneprestanom

ponavljanju

(I,Q,M Q,M)

Osvježavanje stanja

digitalnih izlaza poljem Q

prekidi

Programski ciklus PLC-a


29/39


Posluživanje prekida• Korisnik programira reakciju na prekid unutar odgovarajućeg

potprograma kojeg operacijski sustav poziva kada se dotični prekiddogodi

• Postoje prekidi: u zadano vrijeme (time-of-day interrupt), savremenski definiranom zadrškom (time-delay interrupt), u pravilnimvremenskim intervalima (cyclic interrupt)...

• Kod složenijih PLC-a postoji stotinjak mogućih uzroka prekida

• Najviše razine prekida kod PLC-a pripadaju prekidima zaposluživanje programskih i sklopovskih grešaka – korisniku se i utom slučaju omogućuje odgovarajuća reakcija (npr. aktiviranjezaštite)

• Ulazi/izlazi se ne osvježavaju dok se u ciklusu ne posluže svi prekidi

i ne završi izvođenje koda namijenjenog neprestanom ponavljanju


30/39


Primjer • PLC treba paliti žarulju na

adresi Q0.0 samo kad su

ulazi I0.0 i I0.1 u “1”.Također, svaki dan u17:00 ako je žaruljauključena treba upaliti

trubu na Q0.1. Truba seisključuje sklopkom I0.2.

• Kôd se može pisati tzv.ljestivčastim dijagramomo kojem će više riječi bitikasnije

I0.0 I0.1 Q0.0

RI0.2

Q0.0

Q0.1

S

Q0.1

Kod namijenjen

neprestanom izvođenju:

Kod u potprogramu za

posluživanje time-of-day

prekida (prekid u 17:00

se parametrira):


31/39


Analogni ulazi• Proizvođači PLC-a nude i module na koje se spajaju analogni

ulazni signali

• Takvi moduli obično posjeduju više analognih ulaznih kanala kojese pretvara jednog za drugim A/D pretvornikom, asinkrono sprogramskim ciklusom

• Važan parametar je vrijeme ciklusa pretvorbe, tj. vrijemepotrebno za jednu pretvorbu svih kanala

• Svakom je kanalu pridružena 16-bitna lokacija na samommodulu u koju se sprema rezultat pretvorbe, a toj se lokacijimože programski pristupiti

V/A

V/A

V/A

V/A

Ch 1

Ch 2

Ch i

Ch n

M

ux

D

e

mu

x

A/D...

...

...

...

registri

Ch 1

Ch 2

Ch i

Ch n

s

t

r

až

n

j

a

s

a

b

i

r n

i

c

a

Galvanska

izolacija


32/39


Analogni ulazi• Nazivni naponski ili strujni raspon ulaznog signala može

se odabrati između nekoliko standardnih vrijednosti – +/- 10 V

– 0-10 V

– 0-20 mA

– 4-20 mA

• U industriji se češće upotrebljavaju senzori sa strujnimnego senzori s naponskim izlazom jer su smetnje naprijenosnim vodovima tada manje

• Korištenje strujnog raspona 4-20 mA omogućuje idetekciju prekida dovodnih žica senzora odgovarajućom

logikom na samom ulaznom modulu


33/39


Analogni izlazi

• Registri kanala su i za slučaj analognih izlaza 16-bitni, te

im se može programski pristupati• Nakon upisa digitalne vrijednosti u registar kanala i,

kanal i se postavi na odgovarajuću vrijednost nakon D/Apretvorbe te vrijednosti

Registri

kanalaGalvanska

izolacija

D/A1

D/A2

D/Ai

D/An

s

t

r a

ž

n

j

a

s

a

bi

r

n

i

ca

Ch 1

Ch 2

Ch i

Ch n

...

...

...

...+/-10 V, 0-10 V,

+/-20 mA, 4-20 mA

Ch 1

Ch 2

Ch i

Ch n


34/39


Programska podrška za rad s PLC-

om• U prošlosti su se za programiranje PLC-a

koristile ručne programiralice• Danas se za tu svrhu uglavnom koriste

osobna ili prijenosna računala opremljena

odgovarajućim sučeljima i odgovarajućom

programskom podrškom

• Računalo se serijskom komunikacijskomvezom povezuje s PLC-om


35/39


Programska podrška za rad s PLC-

om• Na računalu se unutar navedene programske

podrške piše program za PLC, definira module imreže spojene na taj PLC, te parametriraponašanje PLC-a

• Istim se programom može promatrati memoriju

PLC-a u radu te dijagnosticirati greške koje sedogađaju na PLC-u

• Neki proizvođači ovu programsku podršku daju

besplatno uz sklopovlje, dok se kod nekih onaposebno naplaćuje


36/39


Glavni svjetski proizvođači PLC-a

• Allen Bradley (Pico, Micrologicx – kompaktni, SLC500,PLC-5 – modularni)

• Klockner Moeller (PS4 – kompaktni, PS416 – modularni)

• Matsushita (Pico – kompaktni, FP0, FP1, FP2, FP3,FP10, FP-M – modularni)

• Mitsubishi (Alpha, FX – kompaktni, Q – modularni)• Omron (CJ1 – kompaktni, CPM,CS1 – modularni)

• Siemens (Logo, S7-200, S7-300, S7-400 – modularni)

• Schneider – Modicon (Compact, TSX Micro – kompaktni,Momentum, Premium, Quantum – modularni)

• Toshiba (S2E, S2T – modularni)


37/39


Siemens• Budući da u laboratoriju imamo na raspolaganju

PLC-e tvrtke Siemens (serija S7-300),razmatranja na predmetu će mahom biti

kompatibilna s ovom serijom PLC-a

• Međutim, budući da se svi proizvođači PLC-apridržavaju preporuka o izvedbi PLC-a

sadržanih u standrardu IEC 1131, stečena

znanja bitće lako prenosiva i na rad s PLC-imadrugih proizvođača


38/39


Sažetak (1)• Programabilni logički kontroleri (PLC-i) se danas

neizostavno susreću u industrijskoj automatizaciji

• U svojoj arhitekturi sadrži sve osnovne elementestandardnog digitalnog računala

• Proizvođači s PLC-om isporučuju i operacijski sustav

PLC-a koji preuzima na sebe mnoge funkcije: – osvježavanje slike digitalnih ulaza i digitalnih izlaza – spremanje konteksta

– dijagnostika

• Memorija PLC-a može sadržavati i RAM i ROM dio


39/39


Sažetak (2)• Korisnički program na PLC-u se izvodi samo u RUN

modu rada, i to ponavljajući sljedeće korake

– 1. osvježavanje I-memorije trenutnim stanjem digitalnih ulaza

– 2. izvođenje koda za neprestano ponavljanje, prihvaćanjeprekida

– 3. osvježavanje digitalnih izlaza sadržajem Q-memorije

• Moduli digitalnih ulaza i izlaza optičkom spregomizolirani su od stražnje sabirnice kojom se stanja nanjihovim priključnicama prenose u memoriju PLC-a

Documents

PRAUT - 2007-08 - Predavanje02