Programowalne sterowniki logiczne.pdf

2 Programowalne sterowniki logiczne (PLC)

2.1 Wstęp

Wiele systemów jest sterowanych za pomocą prostych algorytmów tylko poprzez

wejścia binarne (0 - 1). Wyjściami tych systemów też są przeważnie sygnały binarne. Do

sterowania takich układów projektowane są proste układy elektroniczne. Coraz większe

zastosowanie znajdują elektroniczne układy typu ASIC, umożliwiające zaprogramowanie

złożonych algorytmów. Mikrokomputery nazywane sterownikami programowalnymi lub

programowalnymi sterownikami logicznymi PLC (Programmable Logic Controllers)

stosowane są do sterowania systemów, dla których nie istnieje potrzeba archiwizacji i

wizualizacji danych.

Sterowniki PLC są urządzeniami wszechstronnymi i zwartymi bazującymi na

standardowej architekturze mikroprocesorowej stosowanymi do sterowania maszyn i

procesów [5,6]. Są one zaprojektowane, aby ich programowanie i utrzymanie było proste.

Systemy PLC wymieniły starą logikę przekaźników. Sterowniki programowalny

(programmable controller – PC) jest w następujący sposób definiowany w 1978 przez NEMA

(National Electrical Manufacturers Association) jako:

„urządzenie przetwarzające cyfrowo, które stosuje Pamięć programowalną dla

wewnętrznego zapamiętywania instrukcji implementujących specyficzne funkcje:

logiczne, sekwencyjne, czasowe, zliczające i arytmetyczne do sterowania poprzez

cyfrowe lub analogowe wyjścia”

Zalety systemów PLC

• znaczny wzrost wydajności w porównaniu z logiką przekaźników,

• większa niezawodność,

• mniejsze wydatki na utrzymanie ze względu na brak części poruszających się,

• małe wymiary,

• małe koszty.

Wady sterowników programowalnych

• Wykrywanie błędów bardziej złożone niż w systemach przekaźnikowych,

• Awaria PLC może całkowicie zatrzymać sterowany proces, w konwencjonalnych

awaria zakłócała sterowany proces,

• Zewnętrzne zakłócenia mogą wpływać na zawartość pamięci PLC.

Rozwój systemów programowalnych sterowników logicznych rozpoczął się na początku

lat siedemdziesiątych i trwa do dziś. Na świecie istnieje ponad 100 liczących się firm

produkujących kilkaset modeli sterowników PLC. Największe znaczenie w produkcji i

zastosowaniu mają USA, Niemcy, Japonia i Francja. Większość firm produkuje sterowniki w

różnych klasach wielkości, z bogatym wyposażeniem wspomagającym programowanie,

testowanie i uruchamianie systemów. Istotnym zagadnieniem jest szybkie uzyskiwanie

prawidłowo działających programów.

Sterowniki spełniają szereg dodatkowych wymagań, których nie spełniają komputery

biurowe. Zaostrzone wymagania dotyczą zakresu temperatury pracy, wilgotności, odporności na

drgania i wstrząsy, zapylenie itp.

W systemach sterowania stosowany jest różny sprzęt komputerowy. Zwykle najniższy

poziom struktury sterowania bazuje na sterownikach programowalnych. W krajach wysoko

uprzemysłowionych programowalne sterowniki logiczne PLC (Programmable Logic Controllers)

są podstawowym środkiem sterownia i automatyzacji wszelkiego typu maszyn i urządzeń

technologicznych o binarnej strukturze funkcjonowania, takich jak obrabiarki, prasy wtryskarki

tworzyw sztucznych, linie zgrzewania, urządzenia do transportu technologicznego, urządzenia do

pakowania, urządzenia malarskie i galwanizerskie, urządzenia mieszająco - dozujące, sortujące,

ważące, itp. Stosuje się je także do automatyzacji całych procesów technologicznych w

hutnictwie, energetyce, przemyśle spożywczym, chemicznym, materiałów budowlanych itp.

2.2 Własności sterowników programowalnych

Sterownik programowalny PLC jest urządzeniem bazującym na mikroprocesorze,

posiadającym dodatkowo pamięć oraz urządzenia wejścia-wyjścia. Te elementy stanowią

integralną część sterownika. Zwykle Sterownik posiada połączenie do urządzenia

programującego i monitorującego.

W zależności od wielkości sterownika części składowe znajdują się w jednej zwartej

jednostce lub są rozproszone. Mały sterownik posiada do 40 połączeń wejść-wyjść, duży

natomiast ponad 128 połączeń lokalnych lub zdalnych z wieloma możliwościami stosowania

rozszerzeń.

System rozproszony na moduł CPU/pamięć, moduły wejścia-wyjścia (I/O racks) i odległe

moduły, które mogą być oddalone nawet o setki metrów od modułu głównego. Duże jednostki

PLC posiadają również moduły analogowe wejścia-wyjścia i możliwość użycia programów

wspomagających złożone operacje nie występujące w sterownikach przekaźnikowych.

Podstawową różnicą pomiędzy PLC a innymi urządzeniami mikroprocesorowymi, jest to

że zaprojektowane są dla środowiska przemysłowego. Np. stosują ekranowanie w celu

zabezpieczenia przed zakłóceniami elektrycznymi. Modularna budowa PLC umożliwia łatwą

wymianę i dodawanie modułów. Wspomagają standaryzowane połączenia i poziomy sygnałów i

są zaprojektowane dla łatwego zaprogramowania przez osoby nie znające języków

programowania.

Pamięć PLC dzieli się na pamięć programu zawartą w EPROM/ROM i pamięć

operacyjną. Pamięć RAM jest wykorzystywana do wykonywania programu i jako pamięć

chwilowa dla zapamiętywania danych wejściowych i wyjściowych. Typowa wielkość pamięci

stosowanej w sterownikach wynosi około 1KB dla małych sterowników, kilka KB dla średnich i 10-

20KB dla większych sterowników w zależności od potrzeb. Dla większości sterowników możliwe

jest zwiększanie pamięci w sposób prosty.

Urządzenia wejścia-wyjścia stanowią sprzęg pomiędzy zewnętrznymi procesami.

Urządzenia PLC są typowymi urządzeniami logicznymi, bazującymi na napięciu 5v. Ponieważ

zewnętrzne procesy wymagają większych mocy i napięć, dlatego moduły I/O są izolowane w

sposób optyczny lub inny. Typowe napięcie przetwarzania sterowników należy do zakresu 5V -

240V, prądy z zakresu 0.1A do kilku A, co nie powoduje konieczności dołączania dodatkowych

urządzeń dopasowujących.

Przy programowaniu sterowników stosowany jest zwykle system skrośny (rys. 2.1). W

systemie tym programy są tworzone na komputerze głównym (zwykle jest to komputer PC z

systemem Windows), następni kompilowane. Program skompilowany jest ładowany na sterownik

programowalny. To samo łącze, po którym jest ładowany program wynikowy, może być użyte do

śledzenia wykonania programu na sterowniku, a sterownik od tej pory pracuje samodzielnie.

PC- Komputer główny

Łącze szeregowe

PLC

Rys. 2.1. System skrośny programowania sterowników.

2.2.1 Zasada działania sterowników programowalnych

Programowalne sterowniki logiczne, najogólniej definiując, mają strukturę komputerów

uniwersalnych, lecz zorientowane są na procesy sterowania logicznego. Wynikają stąd dwie

podstawowe ich własności: programowanie zadań odbywa się z wykorzystaniem specjalnych

języków zorientowanych na zapis funkcji logicznych, a ich budowa jest dostosowana do

bezpośredniego połączenia ze sterowanym obiektem. Wykonywanie programu sterowania polega

na szeregowo-cyklicznym przetwarzaniu rozkazów programu. Kolejne rozkazy są wykonywane

szeregowo jeden po drugim, a po wykonaniu wszystkich cykl jest powtarzany, niezależnie od

przebiegu sterowanego procesu technologicznego. Cykl powtarzania programu jest na tyle

szybki, że sterowany obiekt reaguje na związki logiczne pomiędzy jego wejściami a wyjściami,

wynikające z algorytmu jego pracy, tak jakby były one realizowane równolegle w czasie

rzeczywistym.

Bloki układów wejścia/wyjścia służą do elektrycznego dopasowania sygnałów

dwustanowych, pochodzących ze sterowanego obiektu i wysyłanych przez sterownik do obiektu

sterowanego. Bloki te realizują również separację galwaniczną sterownika od obiektu

sterowanego, zmniejszając zagrożenie przed uszkodzeniem i przed zakłóceniami elektrycznymi

systemu sterowania. Układy wejścia/wyjścia umożliwiają bezpośrednie podłączenie sterownika

do obiektu sterowanego.

•

Sterowniki PLC mogą być wyposażone w różne rodzaje pamięci (rys. 2.2):

DRAM (dynamic RAM) – W pamieciach DRAM dane przechowywane są w komórkach

pamięci o charakterze pojemnościowym, wymagających okresowego odświeżania w celu

utrzymania zawartości komórki. Pamięci tego typu są wolniejsze ze wzgldu na

konieczność odświeżania, a czas dostępu wynosi przeciętnie 50-60 ns. Wymagane jest

zasilanie bateryjne do utrzymania zawartości takich pamięci po wyłączeniu prądu.

SRAM (static RAM) – Pamięci statyczne pracują na zasadzie przerzutników, dane w nich

pozostają tak długo dopóki się do niej zapisze nowe dane. Pamięci te cechują się

szybkim czasem dostępu rzędu 10-20ns.

ROM (Read Only Memory) jest pamięcią, której zawartość można tylko odczytać i nie

ulega zniszczeniu przy wyłączeniu zasilania. W pamięciach takich przechowywane są

części lub cały system operacyjny.

EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) – jest pamięcią typu ROM, której

zawartość można zmienić stosując pewne dodatkowe środki. Polega to zwykle na

wystawieniu tego układu zawierającego okno kwarcowe na układzie na działanie

promieni ultrafioletowych.

EEPROM (Electricaly Erasable Programmable Read Only Memory) – jest pamięcią typu

ROM, której zawartość można zmienić przy użyciu elektrycznych impulsów.

•

Większość sterowników programowalnych jest dostosowanych do przechowywaniu programu

aplikacji w tego typu pamięciach. Użytkownik za pomocą programatora zapisuje program

wynikowy do tego typu pamięci, a następnie dokonuje wymiany starych układów pamięci z

poprzednią wersją na układy pamięci z nową wersją. Pamięci EPROM i EEPROM zachowują

program i wszystkie dane, także w przypadku zaniku zasilania.

Łącze konsoli

zegar

CPU

Łącze szeregowe

drugi CPU

Wejście – napięcie DC

sprzęgsyfrowy

drugi CPU

Wejście – napięcie AC

spzęgcyfrowy

drugi CPU

Sprzęg

analogowo-cyfrowy

Sprzęg

Cyfrowo-analogowy

Sprzęg

Licznika impulsów

Sprzęg

Wyjść przekaźnikowych

magistrala

(adresowa, danych i sterowania)

Rys. 2.2. Podstawowa struktura sterownika programowalnego.

2.2.2 Parametry sterowników programowalnych.

W tabeli 2.1 zawarto ważniejsze parametry [3] wybranych producentów sterowników

programowalnych. Jedną z charakterystycznych cech sterowników jest liczba wejść i wyjść

cyfrowych. W większości zastosowań wystarcza niewielka liczba takich wejść i wyjść. Ponieważ

program typowego sterownika polega na cyklicznym wykonaniu tego samego ciągu instrukcji,

dlatego szybkość sterownika programowalnego określana jest przez czas wykonania tysiąca

instrukcji. Proste programy sterownika nie zajmują zbyt dużo miejsca w pamięci, dlatego typowe

sterowniki wyposażane są w mniejszą pamięć RAM niż komputery osobiste.

Firma

Typ

I/O

Szybkość czas

dla 1000 instrukcji

RAM

Allen-Bradley

Micrologix 1000

SLC 500

PLC-5

PLC-5/250

16-32

20-960

128-3072

do 4.1K

do 2ms

0.5-8ms

<1ms

do 1Kb

1K-24Kb

8K-100Kb

do 8Mb

GE Fanuc Automation

90 Micro

Seria 90-30

Seria 90-70

12K

1ms

0.18ms

0.4ms

6Kb

80Kb

512Kb

PEP Modular Computers

Smart I/O

8-88

3Mb

Siemens

Simatic S5-90U

Simatic S5-95U

Simatic S5-100U

Simatic S5-115U

Simatic S5-135U/155U

Simatic TI500/TI505

Simatic S7-200

Simatic S7-300

Simatic S7-400

14-208

32-480

do 448

do 2K

32.8K

8.2K

1024

128K

2ms

0.8ms

0.1ms

0.18ms

0.06ms

0.8ms

0.3ms

0.08ms

4Kb

20Kb

384Kb

1664Kb

1920Kb

4Kb

48Kb

512Kb

Tab. 2.1. Podstawowe parametry wybranych sterowników PLC.

Sterowniki mogą być przeznaczone nie tylko do wykonywania prostych operacji. Tabela 2

podaje różne rodzaje operacji, które mogą być realizowane przez sterowniki: r - zadania czasu

rzeczywistego, m - wielozadaniowość, II - moduły do obliczeń równoległych, f - obliczenia

zmiennoprzecinkowe, pid - sterowanie typu PID, fz - logika fuzzy.

Programowanie sterowników nie musi być realizowane na poziomie bliskim maszynie.

Świadczy o tym coraz bogatsze oprogramowanie oferowane dla sterowników programowalnych.

W tab. 2.2 podawane są następujące typy oprogramowania: tr - pakiety treningowe, pc -

oprogramowanie komputerów osobistych (PC), iec- zgodność z IEC1131 dla wszystkich

wariantów, f - bloki funkcyjne, i - schematy drabinkowe, l - lista instrukcji, s - schematy przebiegu

sekwencji instrukcji, h - programator przenośny.

Coraz większe wymagania związane są integracją sterownika z otoczeniem. Sterowniki

wyposażone są w różne sprzęgi umożliwiające transmisję danych. W tabeli 15.2 podano typy

łączy komunikacyjnych: e - Ethernet i jego odmiany, a - ARCnet, f -FIP, c - CAN, p-Profibus, l -

LONWorks, m - Modbus, m+ - Modbus+, s - Interbus-S, d - DeviceNet, as - ASInet, fo -

światłowody (fibre optics), r - fale radiowe.

Stosowane są rozwiązania bazujące na języku naturalnym, przykładem może być

narzędzie CASE firmy Siemens o nazwie APT, którego celem jest zapewnienie prostoty

programowania sterowników.

Typ

Operacje

Programowanie

Transmisja

Micrologix 1000

SLC 500

PLC-5

PLC-5/250

r,f,pid

r,f,pid,dmr

r,m,II,f,pid,dmr

pc, l, h

tr,pc,l,s,h

tr,pc,l,i,s,h

pc,l,s

m,d,fo,r

e,p,m,f,fo,r

e,m,d,fo,r

90 Micro

Seria 90-30

Seria 90-70

r,pid

r,pid,II

r,m,II,f,fz,pid,d/tmr

tr,pc,iec,l,i,h

tr,pc,iec,l,i,s,h

tr,pc,iec,l,s

e,f,c,m,d,s,d,r

e,f,p,m,s,d,sd,fo,r

Smart I/O

r,m

tr,pc,iec

p,m,d

Simatic S5-90U

Simatic S5-95U

Simatic S5-100U

Simatic S5-115U

Simatic S5-135U/155U

Simatic TI500/TI505

Simatic S7-200

Simatic S7-300

Simatic S7-400

r,fz

r,f,pid,d,fz

r,f,II,pid,d,fz

r,f,pid,d

r,f,pid,fz

r,II,f,pid,fz

tr,pc,f,l,i,s,h

pc,f,l,i,s,h

p,c,f,l,i,s,h

pc’C’,f,l,i,s,h

pc,l,i,APT

tr,pc,iec,l,i

tr,pc,iec,f,l,i,s

pc,iec,fl,is

as,m

p,m,as

as,m

e,p,m,m+,as,fo

a,p,m,m+,as,fo

RS485,ascii

p,as,fo,m+,RS485

e,p,as,fo,m,RS485

Tab. 2.2 Parametry wybranych sterowników PLC.

2.2.2 Metody programowania sterowników

Dla języków programowania sterowników PLC opracowano standardy IEC

(International Electrotecnical Comission). Istnieje pięć podstawowych metod konstrukcji

oprogramowania sterowników w standardzie IEC 1131-3. Przykładem takiego

zaawansowanego systemu jest pakiet ISaGRAF, który uruchamiany jest pod Windows,

natomiast aplikacje programowe uruchamiane są na rodzinie sterowników PLC typu PEP

9000 w środowisku systemu operacyjnego czasu rzeczywistego OS9. Funkcje pakietu są

dostępne w dwóch trybach pracy, normalnym służącym do konstruowania programu oraz

drugim, służącym do kontroli działania programu. Program posiada procedury testujące oraz

możliwości podglądu wykonania programu w trybie symulacyjnym i na systemie docelowym.

ISaGRAPH posiada pięć ęzyków programowania zgodnych ze standardem

IEC1131 - 3, z których można korzystać na raz w jednym programie. Są to:

•

sekwencyjne schematy funkcyjne (SFC - Sequential Function Chart),

bloki funkcyjne (FBD - Function Block Diagramm ),

schematy drabinkowe (LD - Ladder Diagram )

lista instrukcji (IL - Instruction List),

tekst strukturalny (ST - Structured Text ).

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: