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 Plánování výrobních (podnikových) zdrojů 4. MRP/ERP Řízení/sledování výroby 3. MES Řízení/sledování výrobní buňky 2. Supervize (SCADA) Řízení stroje/ zařízení „Pole“ - polní instrumentace (senzory, aktory, speciální měřicí přístroje) Přímé řízení (PLC, DCS, RTU, CNC, iPC aj.) 1. ……... …. Technologický proces ( TP )

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 Ovládací prvky (RUN, STOP) a seřizovací prvky (trimmer) Pouzdro LED-vstupy Diagnostika chodu Vstupy LED-výstupy Výstupy Komunikační kanály

Pouzdro Kompaktní PLC: pouzdro, kazeta, vana montáž na lištu DIN do rozvaděče svorkovnice rozšíření pomocí kompaktních rozšiřujících modulů

Modulární PLC - uživatelský pohled - tzv. konfigurace Modul napájení Modul CPU Signálové moduly(binární, analogové) Základní rám Expanzní (propojovací) moduly Rozšiřující rám Signálové moduly Komunikační moduly Speciální 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. Čtení vstupů 2. Zpracování programu 4. 1. 3. 3. Vysílání výstupů 4. Režie systému (aktualizace systémových proměnných, komunikace) 2. 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) Input Modul Senzor Program pro PLC Output Image (obraz výstupů) Output Modul 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 Detekce chybného napětí Zpoždění signálu (filtrace) Optočlen (fotodioda + fototranzistor) Galvanické oddělení Vstupní signál z TP Signál přicházející do CPU Signalizace (LED)

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 Optočlen (fotodioda + fototranzistor) Zesílení signálu Ochrana před zkratem Galvanické oddělení Signál přicházející od CPU Výstupní signál do TP Signalizace (LED)

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 moduly pro 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

Systémové programové vybavení Uživatelské programové vybavení 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 Tecomatů Zapnutí Reset OS Zapínací sekvence Testy systému Inicializace UP Otočka cyklu vyslání Y, sejmutí X aktualizace S komunikace

Restart? ano ne Teplý? ne ano P0 P62 P63 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9

S25.1 P10 S25.2 P11 P60 Násilný konec cyklu S28.7 EOC P40 P64

Ošetření závažné chyby Sepnutí kontaktu ERR havarijního relé chyba Odpojení výstupů Sepnutí kontaktu ERR havarijního relé Signalizace chyby Komunikace s PC Čekání na restart Zapnutí

Ošetření přerušení P41 P42 P43 čas vstup chyba návrat

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 IV 3. 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

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 III 2. 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 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)