Sprzęt sterowników PLC.pdf

5. SPRZĘT STEROWNIKÓW PLC

Ze względu na architekturę sterowniki PLC dzieli się na:

sterowniki kompaktowe,

sterowniki modułowe.

Sterowniki kompaktowe należą do klasy małych sterowników PLC o sztywnej architekturze,

i ze względu na wymiary tworzą rodziny nazywane przez firmy Micro (np. GE Fanuc) lub

Nano (np. Schneider-Modicon). W jednej obudowie znajduje się tu zasilacz, CPU oraz

niewielka liczba wejść i wyjść cyfrowych, rzadziej analogowych. Czasem występuje także

wejście szybkiego licznika. Przeznaczone są głównie do sterowania niewielkimi maszynami

lub aparatami.

W sterownikach modułowych poszczególne układy występują jako osobne moduły,

montowane bądź na sztywnej podstawie (ang. baseplate, backplane ) w gniazdach (ang. slot ),

bądź bezpośrednio na standardowej szynie montażowej DIN , i łączone są ze sobą łączami

zatrzaskowymi. Możliwe jest także tworzenie systemów rozproszonych, w których moduły

oddalone są od siebie o wiele metrów, a komunikacja między nimi a CPU odbywa się przy

użyciu odpowiedniej magistrali przemysłowej, np. system modułów Field Control łączonych

za pomocą sieci Genius firmy GE Fanuc lub sterowniki z rodziny Momentum firmy

Schneider-Modicon.

Moduły sterowników

Do zmontowania sterownika modułowego niezbędna jest płyta łączeniowa , zwana także

kasetą (ang. rack ), która posiada gniazda (ang. slots ) do podłączenia wybranych modułów,

w tym dwóch niezbędnych: zasilacza ( PS , ang. Power Supply ) oraz modułu jednostki

centralnej ( CPU , ang. Central Proccessing Unit ).

Zasilacz zwykle podłączany jest do źródła napięcia 120/240 VAC, ale często stosuje się też

zasilacze podłączone do źródła 12/24/48 VDC. W tym drugim przypadku zasilacz i jednostka

centralna mogą stanowić jeden moduł – przeważnie podwójnej szerokości.

W niektórych sterownikach CPU zapewnia, oprócz obsługi modułów z podstawowej płyty

łączeniowej, która zwykle umożliwia zamontowanie od kilku do dziesięciu modułów, także

obsługę pewnej liczby płyt rozszerzających (ang. expansion baseplates ), oddalonych do

kilku, kilkunastu metrów od płyty podstawowej, lub płyt zdalnych (ang. remote baseplates ),

odległych od płyty podstawowej nawet do kilkuset metrów. Stanowią one tzw. stanowiska

oddalonych wejść/wyjść ( RIOS , ang. Remote Input/Output Station ), które zawierają

interfejsy wejścia i/lub wyjścia, umożliwiając ich obsługiwanie tylko pod kontrolą jednostki

centralnej i w ograniczonym zakresie. Obsługiwanie to obejmuje multipleksowanie wejść lub

demultipleksowanie wyjść oraz wstępne i końcowe przetwarzanie danych.

Moduły podstawowe:

•

Moduły wejść i wyjść cyfrowych (ang. Digital Input, Digital Output ), zwane także

modułami we/wy dyskretnych (ang. discrete )

Moduły wejść i wyjść analogowych (ang. Analog Input, Analog Output ).

Inne moduły (w tym tzw. „inteligentne”):

Moduły szybkich liczników ( HSC , ang. High-Speed Counter ),

Moduły pozycjonowania osi ( APM , ang. Axis Positioning Module ),

Moduły komunikacyjne, do podłączenia sterownika do sieci lokalnej w określonym

standardzie,

Moduły wejściowe dla czujników temperatury,

Moduły regulatora PID lub regulatory rozmyte,

Moduły akwizycji kodu paskowego itd.

W pierwszym etapie programowania sterownika ustala się jego konfigurację . Odbywa się to

za pomocą systemu programującego sterownik, w którym wprowadza się podstawowe

informacje o zastosowanych elementach sprzętu oraz ich parametrach. Konfiguracja taka

stanowi pewien rodzaj interfejsu między oprogramowaniem a sprzętem i obejmuje:

liczbę i typy płyt łączeniowych (kaset), z których zbudowany jest sterownik, oraz typy

modułów włączonych do poszczególnych gniazd w płytach (podstawowej i ewentualnie

w płytach rozszerzeń lub zdalnych), poczynając od modułów zasilacza i CPU;

te parametry poszczególnych modułów , które mogą być ustawione przez

użytkownika, np. zakresy sygnałów dla modułów analogowych, praca w trybie

prądowym czy napięciowym, sposób kodowania (np. binarny, BCD), adresy

przyporządkowanych zmiennych wejściowych i/lub wyjściowych.

W starszych rozwiązaniach niektóre z parametrów modułów ustawiane są w sposób

sprzętowy, np. za pomocą odpowiednich zworek w module, w nowszych właściwie cała

parametryzacja odbywa się programowo. Dla modułów komunikacyjnych podaje się przede

wszystkim parametry łącza komunikacyjnego, jak np. prędkość transmisji, adres w sieci,

organizacja danych i sposób zabezpieczenia, adresy w pamięci dla wysyłanych lub

przyjmowanych danych itd.

W ramach konfiguracji sprzętowej należy określić przypisanie adresów w pamięci stanu

sterownika do poszczególnych wejść czy wyjść w modułach, tzw. mapowanie (ang I/O Map ).

Zadanie mapowania jest różnie rozwiązane w różnych sterownikach. Na ogół użytkownik

może przypisać poszczególnym punktom I/O wybrane przez siebie adresy z dopuszczalnego

dla danego CPU zakresu (np. sterowniki GE Fanuc, Schneider–Modicon). W niektórych

sterownikach jednak adresy takie są automatycznie przydzielane na podstawie kolejności

i typów modułów w poszczególnych gniazdach (np. Simatic czy Allen–Bradley).

Program użytkownika oraz zapis konfiguracji sterownika w CPU może być zabezpieczony

kluczem programowym.

Jednostka Centralna (CPU)

Obecnie producenci wprowadzają całe rodziny sterowników , co pozwala na lepsze

zaspokojenie potrzeb rynku i umożliwia właściwy dobór sprzętu dla różnych wielkości

projektowanych instalacji. Sterowniki danej rodziny programuje się w ten sam sposób, za

pomocą tego samego narzędzia, natomiast poszczególne modele CPU różnią się przede

wszystkim możliwościami obliczeniowymi i komunikacyjnymi, tj. szybkością

(częstotliwością zegara), pojemnością pamięci przeznaczonej na program i dane użytkownika,

liczbą obsługiwanych punktów I/O, możliwością korzystania ze specjalnych funkcji (np.

operacje zmiennoprzecinkowe), liczbą łączy komunikacyjnych itp.

Parametrem, który charakteryzuje szybkość poszczególnych jednostek CPU jest czas

typowego cyklu programowego , tj. czas wykonywania 1000 (1K) instrukcji bitowych lub

czas wykonywania 1K instrukcji mieszanych, w tym zazwyczaj 2/3 instrukcji bitowych i 1/3

instrukcji arytmetycznych. Niektórzy producenci sterowników podają natomiast czas

wykonania 1000 instrukcji bitowych i 200 arytmetycznych.

Do podstawowych danych charakteryzujących CPU zalicza się:

Czas typowego cyklu programowego;

Sposób zasilania;

Maksymalna liczba wejść i wyjść cyfrowych i analogowych, ewentualnie także

maksymalna liczba obsługiwanych modułów lub podstawek;

Wielkość pamięci przeznaczonej na program aplikacji i dane oraz typ stosowanej pamięci

(RAM, EPROM, FLASH);

Możliwość wykonywania obliczeń zmiennoprzecinkowych;

Możliwość forsowania zmiennych, tzn. możliwość wymuszania zprogramatora

określonych wartości dla zmiennych w sterowniku. Forsowanie takie jest szczególnie

przydatne na etapie testowania programu lub całego systemu sterowania;

Liczba portów, stosowane standardy i protokoły do komunikacji szeregowej oraz sieci

Ethernet. W niektórych sterownikach (np. GE Fanuc serii 90-30) podstawowy port

szeregowy do podłączenia programatora znajduje się nie na CPU, ale na zasilaczu.

Często CPU sterownika udostępnia także do programowania podtrzymywany bateryjnie zegar

czasu rzeczywistego, który można synchronizować poprzez łącza komunikacyjne.

Moduł CPU wyposażony jest zwykle w pewną liczbę diod typu LED, sygnalizujących stan

pracy sterownika, np. zasilanie ( POWER, READY ), tryb pracy ( RUN , STOP itp.), wystąpienie

błędu ( FAULT ) itp. oraz statusy łączy. W niektórych sterownikach, np. Allen Bradley serii

SLC 500 lub Simatic S7, moduł CPU wyposażony jest dodatkowo w kluczyk/przełącznik

umożliwiający wybór trybu pracy sterownika.

Cykl programowy i tryby pracy

Aby sterownik mógł skutecznie realizować zadania sterowania, musi pracować w tzw. czasie

rzeczywistym (ang. Real Time ). Oznacza to, że reakcja sterownika w postaci obliczonego

sterowania w odpowiedzi na zdarzenie, które miało miejsce w obiekcie musi wystąpić

w określonym czasie, akceptowalnym z punktu widzenia wymagań stawianych temu

sterowaniu. W sterownikach uzyskuje się to na drodze cyklicznego odczytu stanu sygnałów

wejściowych sterownika, realizacji programu użytkownika i aktualizacji sygnałów

wyjściowych. Tak więc sterownik pracuje w pewnym cyklu, zwanym cyklem programowym

(ang. Program Sweep ). Aby zapewnić odpowiednio szybką odpowiedź sterownika, cykl ten

musi być odpowiednio krótki, znacznie mniejszy niż wymagania czasowe nałożone na system

sterowania. W zależności od CPU sterownika, długości programu i liczby obsługiwanych

modułów cykl programowy może trwać od ułamków ms do kilkudziesięciu ms.

Często w sterownikach istnieje także możliwość ustawienia czasu trwania cyklu na stałą

wartość (ang. Constant Sweep ), co może być przydatne w niektórych zastosowaniach.

W takim przypadku zadany czas trwania cyklu powinien być nieco większy niż rzeczywisty

czas potrzebny na wykonanie wszystkich faz cyklu.

Typowy cykl programowy sterownika składa się z następujących faz:

1. Inicjalizacja cyklu (ang. House-keeping );

2. Czytanie stanów wejść (ang. Data Input );

3. Wykonanie programu użytkownika (ang. Program Execution );

4. Aktualizacja stanów wyjść (ang. Data Output );

5. Obsługa urządzeń zewnętrznych (ang. Service External Devices );

6. Wykonanie funkcji diagnostycznych ( ang. Diagnostics ).

Przykładowe czasy odczytu i zapisu przez CPU danych dla wybranych modułów

sterowników GE Fanuc serii 90-30:

Czas [ms]

Typ modułu

Płyta

główna

Płyta

rozszerze

Płyta zdalna

Moduł 16 wejść cyfrowych

0,030

0,055

0,206

Moduł 16 wyjść cyfrowych

0,030

0,053

0,197

Moduł 4 wejść analogowych

0,075

0,105

0,396

Moduł 2 wyjść analogowych

0,058

0,114

0,402

Moduł 16 wejść analogowych

0,978

1,446

3,999

Moduł 8 wyjść analogowych

1,274

1,988

4,472

Moduł szybkiego licznika HSC

1,381

2,106

5,221

Moduł pozycjonowania APM (1 oś)

1,527

2,581

6,388

Moduł Ethernet

0,038

0,041

0,053

Moduł

komunikacyjny

GCM sieci Genius 32 węzły po 64 punkty

I/O

bez podłączeń

0,567

0,866

1,830

1,714

2,514

5,783

Moduł GBC

kontrolera sieci

Genius

bez podłączeń

0,798

1,202

2,540

32 węzły po 64 punkty

I/O

18,38

25,377

70,777

czytanie 128 rejestrów

0,485

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: