1

Elementy cyfrowe i układy logiczne

Wykład

2222

Legenda

Programowalne Sterowniki Logiczne (PLC)

2

3333

Co to jest?

Sterowniki PLC(ang. Programmable Logic Controller)

są to takie sterowniki, których sposób

działania w postaci programu jest

pamiętany w sterowniku.

3

5555TwinCAT

Komputery przemysłowe

Napędy

Podzespoły sieci przemysłowych

6666

Wstęp

• Sterowniki z programowalną pamięcią stosowane są

do kontroli i sterowania skomplikowanymi

procesami technologicznymi.

• Sterowniki PLC posiadają procesor, wykonujący

niezbędne operacje logiczne i arytmetyczne.

• Sterowniki PLC mogą być obsługiwane z komputera

IBM PC lub komputera przemysłowego z magistralą

(np. Magistrala VXI) wraz z programowaniem.

• Sterownik na podstawie wysłanych dany z programu

analizuje stan wejść i ustala na wyjściach lub w

pamięci odpowiednie wartości i stany.

4

7777

Historia

� Rok 1968 - pierwszy sterownik dla przemysłusamochodowego (General Motors)

� Rok 1977 - zastosowanie mikroprocesora wsterownikach (Allan-Bradley)

� Lata 70' XX wieku - mikrokomputery sterujące

8888

Producenci sterowników PLC

• Siemens (Niemcy)

• Honeywell (USA)

• Allen Bradley (USA)

• Omron (Japonia)

• GE Fanuc (USA-Japonia)

• Hitachi (Japonia)

• Mitsubishi (Japonia)

• Matsushita (Japonia)

• AEG-Modicon (Niemcy-USA)

5

9999

Pożądane właściwości sterowników PLC

� łatwość programowania/zmiany programu, w tym równieżpodczas współpracy z obiektami, aby umożliwić łatwą i szybkąadaptację systemu do zmieniających się zadań sterowania

� niezawodne w warunkach bez klimatyzacji pracując w otoczeniu zdużymi wahaniami temperatury i dużymi zakłóceniamielektrycznymi, 24h na dobę

� łatwość montażu i napraw, najlepiej poprzez wymianępodzespołów (modułów)

� proste w konserwacji i proste do obsługiwania przez "osoby zwykształceniem średnim"

� możliwość komunikowania się z komputerami nadrzędnymi

� małe gabaryty

10101010

Cechy sterowników PLC� możliwości programowania

� prosty język opisu algorytmu sterowania

� bardzo łatwa forma programowania operacji logicznych

� wspomaganie w większości typowych funkcji przez specjalnysystem operacyjny czasu rzeczywistego

� łatwość uruchamiania algorytmu sterowania

� ułatwiona diagnostyka systemów sterowania

� przystosowanie do pracy w warunkach przemysłowych

� niższe koszty i opłacalność stosowania nawet w przypadkusterowania prostych obiektów

� szybkość przetwarzania

� modułowość

� elastyczność

� dokładność

� powtarzalność

6

11111111

Podział sterowników logicznych� wielkość

- małe – do 100 I/O- średnie – do 500 I/O- duże – ponad 500 I/O

� budowa- kompaktowa- modułowa

� moc obliczeniowa- wielkość pamięci programu- wielkość pamięci na zmienne- czas realizacji kilorozkazów

� rodzaj sygnałów wejściowych/wyjściowych- prądowe - analogowe- napięciowe - impulsowe- mieszane

12121212

Cechy charakterystyczne sterowników PLC

� specyficzny system operacyjny i sposób programowania

� język programowania zorientowany na wykonywanie nie tylkooperacji słownych, ale i bitowych

� przechowywanie programów użytkowych w pamięciEEPROM/FLASH i bateryjne podtrzymywanie pamięcioperacyjnej

� przystosowanie modułów wejść i wyjść do standardów napięćprzemysłowych

� duża obciążalność prądowa wyjść, umożliwiająca bezpośredniesterowanie układów wykonawczych

� przystosowanie konstrukcyjne do montażu w bezpośrednimotoczeniu obiektu sterowanego

� odporność na działania środowiska przemysłowego, bezkonieczności okresowej obsługi i konserwacji

7

13131313

Parametry przykładowych sterowników PLC

14141414

Komunikacja sterownika z otoczeniem

Sieć Szybkość, odległość Ilość stacji Max blok Inne

ModbusModicon 1979

9600 bps – 1200m19200 bps – 1200m

256/32 256RS-232, RS-422, RS-485, Modem, M-S, prostota

Genius/N-80GE-Fanuc 1985

153.6 kbps - 1000m38.4 kbps – 2250m

32 128skrętka, światłowód,T-P, P-C

LonWorksEchelon 1991

1.25 Mbps - 500m78.0 kbps - 100m

32..32385 54/31koprocesor sieciowyNeuron Chip, M-S, P2P, PM

CAN (Controller Area Network)BOSCH 1994

1 Mbps – 40m50 kbps – 1000m

211, 229 8skrętka, światłowód,P-C, CSMA/CD+AMP

SDS (Smart Distributed System)Honeywell 1994

1 Mbps – 100m/500m500 kbps - 100m125 kbps – 500m

32 dla 1Mbps,64 dla pozost.

8skrętka (med.+zas.),na bazie CAN,M-S, P2P, M-M, CSMA/NBA

DeviceNetRockwell i Allen-Bradley 1994

1 Mbps - 30m500 kbps – 100m/500m125 kbps – 490m

64 8skrętka (med.+zas.),na bazie CAN (broadcast),M-S, M-M, inne, CSMA/NBA

HARTHART Communication Foundation ?

2-3 bps 15 1skrętka, Bell 202, FSK, 1200 i 2200 Hz na 4..20mA, M-S

FIP/WorldFIP(Factory Instrumentation Protocol)(Factory Information Protocol)(Fieldbus Internet Protocol)CEGELEC 1988

31.25 kbps - 32 km1 Mbps - 4km z 3 rep.2.5 Mbps - 2km z 3 rep.5.0 Mbps - 1km z 3 rep.25 Mbps - ?

256 (rep), 32 128/250

skrętka, światłowód, bezprz.,długość medium można podwoić uruchamiając magistralę w trybie wolnym,P-D-C, BA

General Motors 1968pierwszy sterownik (dla przemysłu samochodowego)

8

15151515

Komunikacja sterownika z otoczeniem - c.d.

Sieć Szybkość, odległość Ilość stacji Max blok Inne

Fieldbus Foundation HSEXerox 1979

10 Mbps - 100m/2500m100 Mbps - 100m/2500m1.0 Gbps - 100m/2500m

100 -skrętka, światłowód,M-S, P2P, CSMA/CD

Fieldbus Foundation H1, H2SIEMENS ?

H1 - 31.25 kbps – 1900mH2 - 1.0 Mbps - ?

240 244 skrętka, światłowód,C-S-P-S

ControlNetRockwell 1997

5 Mbps - 250m/1000m 99 64/128/240skrętka, światłowód,P-C, CTDMA

AS-IAS-I Consorcium 1993

167 kbps - 100m/300m 31 31 M-S, CP

P-NetPROCES-DATA 1984

76.8 kbps - 1200m 125 1RS-485, prosty protokół (nawet dla uP 8-bit), M-M, TP

SwiftNet? ?

? ? ? ?

Intrerbus-SPhoenix Contact 1984

500 kbps - 400m 256 64skrętka, światłowód,M-S

Profibus-PDSIEMENS 1994

12 Mbps - 100m/500m1.5 Mbps - 200m9.6 kbps - 1200m/9600m

128 (rep), 32 244

skrętka, światłowód,M-S - stacja Master i inna,P2P - między stacjami MasterTP

16161616

Komunikacja sterownika z otoczeniem – objaśnienia BA - Bus Arbiter

CP - Cyclic Polling

CSMA/CD - Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect

CSMA/CD+AMP - Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection and Arbitration

on Message Priority

CSMA/NBA - Carrier Sense Multiple Access with Non-destructive Bitwise Arbitration

CTDMA - Concurrent Time Domain Multiple Access

C-S-P-S - Client-Serwer-Publisher-Subscriber

M-M - Multi-Master

M-S - Master-Slave

P2P - Peer to peer

PDC - Producer-Distributor-Consumer

PM - Predictive Media / CSMA/CA-P

P-C - Producer-Consumer

P-D-C - Producer-Distributor-Consumer

SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition

9

17171717

Zastosowania sieci przemysłowych

- komunikacja pomiędzy modułami sterowników

- komunikacja z czujnikami pomiarowymi

- komunikacja z inteligentnymi czujnikami i oprzyrządowaniem pracującymi na pętli prądowej 4..20mA

- zdalne programowanie i nadzór sterowników i innych urządzeń

- sterowanie i kontrola obwodów parametrów lotu w samolotach

- automatyzacja i sterowanie w pociągach

- automatyzacja pojazdów

- automatyzacja budynków

- systemy "inteligentnych budynków"

- systemy kontroli ruchu

- szybkie przesyłanie danych na nieduże odległości

- kontrola procesów przemysłowych

- monitorowanie i rejestrowanie danych pomiarowych

- komunikacja z systemami SCADA

18181818

Zasada działania sterowników PLC

Podstawową zasadą pracy

sterowników jest praca cykliczna,

w której sterownik wykonuje

kolejno po sobie pojedyncze

rozkazy programu w takiej

kolejności, w jakiej są one

zapisane w programie. Na

początku każdego cyklu program

odczytuje "obraz" stanu wejść

sterownika i zapisuje ich stany.

10

19191919

Zasada działania sterowników PLC – c.d.

Po wykonaniu wszystkich rozkazów i określeniu

(wyliczeniu) aktualnego dla danej sytuacji stanu wyjść,

sterownik wpisuje stany wyjść do pamięci będącej

obrazem wyjść procesu a system operacyjny steruje

odpowiednimi wyjściami sterującymi elementami

wykonawczymi. Tak więc wszystkie połączenia sygnałowe

spotykają się w układach (modułach) wejściowych

sterownika, a program śledzi ich obraz i reaguje zmianą

stanów wyjść w zależności od algorytmu.

20202020

Sterowniki PLC – składają się z:

• jednostki centralnej (CPU)

• bloków wejść cyfrowych

• bloków wejść analogowych

• bloków komunikacyjnych

• bloków wyjść cyfrowych

• bloków wyjść analogowych

• bloków specjalnych

11

21212121

PLC - …jednostka centralna

Głównym elementem

każdego sterownika

jest jednostka

centralna, której

zadaniem jest:

• odczytywanie

stanów urządzenia,

• dokonywanie

operacji,

• określanie stanu

sterownika,

• synchronizacja

działania wszystkich

członów sterownika.

22222222

PLC - …jednostka centralna

• Jednostka centralna jest podstawowym elementem

decydującym o szybkości działania sterownika.

• Większość sterowników wyposażona jest w 16-bitowe

procesory, chociaż coraz częściej spotykamy się z

procesorami 32-bitowymi.

• Jednostka centralna może być wyposażona w kilka

procesorów.

• Sterowniki modułowe średniej wielkości posiadają

przeważnie 2 procesory, natomiast duże mają od kilku do

kilkunastu procesorów w swojej jednostce.

• Jednostki centralne CPU działają cyklicznie, pozwala to

na wykonywanie programu w ściśle określonym trybie.

12

23232323

PLC - …wejście cyfrowe

• Wejście cyfrowe - ogólnie przyjęta nazwa pojedynczego

wejścia binarnego sterownika PLC, mogącego mieć dwa

stany: "0" - brak napięcia i "1" - jest napięcie.

• Wejścia cyfrowe są podstawowymi blokami wejściowymi

sterowników PLC.

• Do nich docierają sygnały z przycisków sterowniczych,

czujników, itp.

• Na podstawie tych sygnałów sterownik PLC steruje wg

zawartego w nim algorytmu pozostałymi elementami

poprzez wyjścia cyfrowe lub wyjścia analogowe.

24242424

PLC - …wyjście cyfrowe

• Wyjście cyfrowe - ogólnie przyjęta nazwa

pojedynczego wyjścia binarnego sterownika PLC.

• Przyjmują następujące stany: "0" - brak napięcia, "1" -

jest napięcie.

• Produkowane są (przeważnie) dwa rodzaje wyjść:

� tranzystorowe o obciążalności 0,5 A

� przekaźnikowe o obciążalności 8 A.

• Poprzez wyjścia cyfrowe sterownik steruje

urządzeniami zewnętrznymi takimi jak: styczniki,

elektrozawory, lampki kontrolne, sygnały akustyczne,

itd.

13

25252525

PLC - …wejście analogowe

• Wejście analogowe - ogólnie przyjęta nazwa pojedynczego wejścia sterownika PLC dla standardowych sygnałów analogowych.

• Przyjęte standardy to: 0...20 mA, 4...20 mA, 0...10 V

• Służą do pomiarów m.in.: temperatury, ciśnienia, przepływu, obrotów, itp. Pomiary te odbywają się poprzez zamianę wartości np. temperatury na sygnał analogowy o wartości np. 0...10 V.

• Sygnały są przetwarzane w sterowniku, który reaguje wg ustalonego algorytmu.

26262626

PLC - …wyjście analogowe

• Wyjście analogowe - ogólnie przyjęta nazwapojedynczego wyjścia analogowego sterownikaPLC.

• Standardowe wyjścia analogowe mają wartości:0...20 mA, 4...20 mA, 0...10 V

• Jest podstawowym składnikiem bloków wyjśćanalogowych sterowników PLC.

• Sterownik poprzez te wyjścia może sterowaćurządzeniami zewnętrznymi takimi jak: regulatorytemperatury, przetwornica częstotliwości,serwonapęd, itp.

14

27272727

PLC - …bloki specjalne

• Oprócz podstawowych bloków sterowniki PLCmogą mieć również bloki specjalne, np:� regulacyjne – sterowniki wyposażone w

jednostkę centralną typu wieloprocesorowego,przystosowane do przetwarzaniawielobitowych sygnałów,

� pozycjonowane – sterowniki stosowane jakosterowniki urządzeń manipulacyjnych, gdykonieczna jest zmiana parametrów urządzeńnapędowych,

� układy sterowania silnikami krokowymi.� układy sterowania ruchem.

28282828

Struktura sterowników

Proces automatyki

Wyjściaanalogowe

Wejściabinarne

Wyjściabinarne

Wejściaanalogowe

ProgramObraz

wejśćlicznik

Obraz

wyjśćtimerdane

zmienne

pomocnicze

PROCESOR

Blokispecjalne Moduły I/O

Pamięć

15

29292929

Cykl pracy sterownika

START

Identyfikacja

Inicjalizacja

Aktualizacja

obrazu wejść

PROGRAM

Aktualizacja

wyjść pakietów

Diagnostyka

30303030

Adresowanie pamięci

W pamięci sterownika wyodrębniona jest pewna ilość miejsc

do przechowywania chwilowych wyników operacji. W

sterownikach PLC rozróżniamy 4 tryby adresowania: bitowo,

bajtowo, wyrazowo oraz przy pomocy dwóch słów. Adresując

słownie operujemy na 16-tu bitach i przy pomocy dwóch słów

na 32-ch bitach.

0

1

2

3

4

5

0

2

5

07bit

bajt wyraz

3

M 0.3 – bajt 0, bit 3

MW 5 – wyraz 5

MB 3 – bajt 3

16

31313131

Adresowanie modułówAdresowanie modułów przebiega podobnie jak adresowanie pamięci.

W przypadku wejść i wyjść binarnych podajemy numer modułu i po

kropce numer zacisku a w przypadku modułów analogowych tylko

numer zacisku (adresowanie wyrazowe). Numer modułu zależy od

jego umiejscowienia na szynie. Pierwszy moduł otrzymuje adres „0”

a następne „1”, „2” itd. lub „4”, „8”, itd. w zależności od typu

sterownika i modułów.0 lub

0 ÷ 3

2 lub

8 ÷ 11

1 lub

4 ÷ 7

Np. aby odczytać czujnik podłączony do modułu nr „0”

i zacisku „3” wpisujmy: I 0.3

32323232

Operandy

• Przed opisem numerycznym wejścia, wyjścia lub pamięci

dodaje się symbol literowy identyfikujący dany adres.

• Dopuszczalny jest zapis w języku angielskim i niemieckim.

oznaczeniebitowo bajtowo wyrazowo

ang. niem.

wejścia I E × × ×

wyjścia Q A × × ×

flagi F M × × ×

dane D D × ×

timer T T ×

licznik C Z ×

stałe K K × ×

17

33333333

Operandy w programowaniu

&I 1.0 I 1.2 I 1.0

I 1.2

A I 1.0

A I 1.2

=

M 1.6

= M 1.6

M 1.6

LAD CSF STL

- iloczyn logiczny (AND)

- suma logiczna (OR)

- wynik operacji

M 1.0

I 4.5ON M 1.0

O I 4.5

>=M 1.0

I 4.5

34343434

Języki programowania

Istnieją 3 podstawowe języki programowania sterowników PLC:

1. LAD – jest to język oparty na rysowaniu schematu zwanego

drabinkowym, bardzo wygodny do układania programu mając dany układ

przekaźnikowy mający działać automatycznie,

2. CSF – stosowany do programowania sterownika, gdy dysponujemy

układem zbudowanym z bramek logicznych,

3. STL – będący językiem mnemonicznym, o strukturze podobnej do

wewnętrznego języka mikroprocesorów (asemblera).

Największe możliwości uzyskujemy dla języka STL, gdyż pozwala na

użycie funkcji i instrukcji niedostępnych w dwóch pozostałych.

Przekształcenie programu z LAD na CSF i odwrotnie jak również z LAD

lub SCF na STL jest możliwe.

Konwersja z STL na LAD lub CSF nie jest możliwa w każdym przypadku.

18

35353535

Procesy - przykłady

36363636

Procesy - przykłady

19

37373737

Procesy – stanowisko badawcze

Komputer

Kocioł Pompa Falownik

SterownikPanel PLC

Serwer www

KOTŁOWNIA –

OBIEKT

INWESTORA

PROJEKTANT

SYSTEMU

INTERNET

KomunikacjaPrzesłanie sygnału ze

sterownika

Korzysta z programu

Mitsubishi IDR Blok

Realizuje wizualizację procesów

Posiada wbudowaną funkcjonalność

serwer a www

Operacyjna obsługa

kotłowni

Sygnał

sterowania

4-20 mA

Sygnał HzSygnał – Q

przepływ wody

Czujnik odbiera sygnał o

poziomie wody

4-20 mA

Kolejne modyfikacje

programu

Przesłanie sygnału

Bezpośrednie

wgranie programu do

sterownika

Modyfikacja

programu przez

www

Feedback – modyfikacja

elementów programu lub

parametrów

Feedback – inf zwrotna

Feedback – inf zwrotna

Komunikacja

dwustronna

Stanowisko badawcze

Mapowanie pulpitu panelu PLC

Hz

Operator –pracownik kotłowni

Urządzenia

kotłowni

Połączenie poprzez kanał VPN umożliwia

bezpieczny zdalny monitoring pracy

kotłowni – mapowanie wizualizacji z

panelu PLC na komputer projektanta

Monitoring pracy urządzeń

Embedded PC 38383838

Zwarta zabudowa z bezpośrednim wyjściem do

podłączenia szerokiej oferty modułów I/O, uniwersalne

zasilacze I/O; moduły fieldbus master/slave do innych

standardów komunikacyjnych;

wyjścia DVI/USB do bezpośredniego podłączenia

monitora, bądź EPC zabudowane

w panelu (CP66, CP67); karta CF; magistrala

EtherCAT; integracja modułów safety; jedno

środowisko programowe TwinCAT z własną

wizualizacją pod Win

Embedded PC

20

39393939

Koniec

Dziękuję za uwagę