Wprowadzenie w zagadnienia PLC na potrzeby przedmiotu Przemysłowe Sieci Informatyczne

Opracował: Jarosław Tarnawski, dr inż. 2016

Sterowniki programowalne (PLC ang. Programmable Logic Controllers) to komputery przemysłowe

pracujące pod kontrolą systemu operacyjnego czasu rzeczywistego. Są to szeroko stosowane w

przemyśle uniwersalne urządzenia programowalne umożliwiające wprowadzenie algorytmów

sterowania realizujące różne zadania regulacji i sterowania. Często stanowią funkcjonalną parę z

aplikacją wizualizacyjną lub systemem SCADA.

Podstawową zasadą działania PLC jest wykonywanie w ciągłej pętli (cyklu sterownika) zestawu

operacji w następującej sekwencji: inicjalizacja cyklu, wczytanie z fizycznych wejść danych do pamięci

wejść, wykonanie programu sterującego na pamięci i wypracowanie nowych wartości pamięci wyjść,

ustawienie wyjść na podstawie stanu pamięci, komunikacja systemowa i z innymi elementami

systemu sterowania, diagnostyka. Cały cykl trwa w zależności od złożoności programu, mocy

obliczeniowej CPU, liczby modułów zwykle do kilkunastu milisekund, a czas ten jest a priori znany.

Mamy zatem gwarancję, że bodźce docierające do wejść PLC zostaną dostrzeżone i obsłużone w

znanym nam skończonym czasie. Nad całością czuwa układ watchdog, który po przekroczeniu

maksymalnego dopuszczalnego czasu trwania cyklu wyłącza sterownik. Ze specyfiki działania PLC

wynikają też różnice w programowaniu w stosunku do PC. Program dla PLC nigdy nie czeka, on w

zależności od stanu zmiennych wykonuje bądź nie pewne fragmenty kodu. Ponieważ wykonanie

programu musi zakończyć się w określonym czasie PLC nie nadają się do złożonych obliczeń np.

optymalizacyjnych.

Siemens S7-1200 GE Fanuc RX3i GE Fanuc 90-30 Rys 1. Sterowniki programowalne dostępne w Laboratorium Komputerowych Systemów Sterowania

PLC cechuje niezawodność, łatwość programowania, uniwersalność, skalowalność. Wiadomości te

wraz z nauką programowania będą rozwijane podczas przedmiotu Sterowniki Programowalne sem.V

AiR i kontynuowane na przedmiocie Komputerowe Systemy Sterowania sem. VI AiR.

Z punktu widzenia budowy sterownika rozróżniamy te o zamkniętej nierozszerzanej budowie

sterowniki kompaktowe (S7-1200) i te których funkcjonalność możemy kształtować za pomocą

doboru konkretnych modułów – sterowniki modułowe (RX3i i 90-30).

Sterowniki programowalne posiadają duże możliwości komunikacyjne i te aspekty są powodem

zainteresowania z punktu widzenia przedmiotu Przemysłowe Sieci Informatyczne. PLC mogą

komunikować się z urządzeniami pomiarowymi i wykonawczymi z aplikacjami wizualizacyjnymi,

systemami SCADA, oraz pomiędzy sobą np. przy realizacji sterowania

rozproszonego/zdecentralizowanego. Wykorzystywane sieci i protokoły przez PLC to np. RS232,

RS485, MODBUS, Profibus, Ethernet, CAN, Profinet, ASI, OPC, SuiteLink, WWW. Możemy definiować

również własne protokoły.

Typowy schemat postępowania z PLC obejmuje: założenie projektu, przygotowanie konfiguracji

sterownika, podłączenie programatora do PLC, wyczyszczenie pamięci, załadowanie własnej

konfiguracji, rozpoczęcie programowania, załadowanie programu, testowanie całego systemu.

KONFIGURACJA

Przed programowaniem sterowników niezbędna jest ich konfiguracja. Proces konfiguracji składa się z

następujących zadań:

- poinformowania CPU sterownika jakie moduły znajdują się w jakim slocie kasety sterownika czyli o

dostępnych zasobach sprzętowych

- przypisania adresów logicznych do fizycznych wejść/wyjść tj. powiązanie każdego kanału wejść i

wyjść z adresem, który może być wykorzystany w programie

- nadania szczegółowych parametrów pracy każdego modułu np. adresu IP modułu komunikacyjnego

Podczas konfiguracji PLC i osadzania kolejnych modułów adresy logiczne przypisywane są do

fizycznych modułów PLC. Użytkownik może zmienić przypisane adresy albo posługiwać się tymi

nadanymi automatycznie. Dla sterownika GE Fanuc adresy znajdują się w gałęzi Hardware

Configuration drzewa projektu, natomiast dla S7-1200 adresy dostępne są w sekcji Device overview.

ZMIENNE LOGICZNE

Zmienne logiczne do wykorzystania przez programistów (w tym również do komunikacji) w PLC

poprzedzone są znakiem procenta %.

Rodzaj zmiennej Przedrostek Notacja GE Fanuc Notacja Siemens

Zmienne reprezentujące fizyczne wejścia/wyjścia

Wejścia binarne (ang. Inputs) %I %I1, %I81 %I0.1, %I1.2

Wejścia analogowe (ang. Analog Inputs) %AI %AI1, %AI4 IW64, IW66

Wyjścia binarne (ang. Outputs, Q zamiast O, aby nie dochodziło do pomyłek z 0-zero)

%Q %Q3, %Q142 %Q0.0, %Q2.1

Wyjścia analogowe (ang. Analog Outputs) %AQ %AQ1, %AQ12 %QW80

Zmienne niepowiązane z we/wy, a pozostające wyłącznie w pamięci sterownika

Pamięć binarna (ang. Memory) %M %M1, %M112 %M0.1, %M2.2

Systemowe (ang. System) tylko do odczytu %S %S7, %S5 Konfigurowane na pamięć %M

Pamięć rejestrowa (ang. Register) %R %R1, %R123 %MW34

Z tabeli ze zmiennymi można wywnioskować o różnicach w adresowaniu zmiennych dla PLC GE Fanuc

i Siemens. W GE Fanuc są to kolejne numery w określonej kategorii zmiennej, natomiast w przypadku

Siemensa i zmiennych binarnych (%I, %Q, %M) notacja składa się z dwóch pól - numeru bajtu i

numeru bitu w bajcie. Litery B, W, D w notacji Siemens oznaczają odpowiednio bajt, słowo (2 bajty) i

długie słowo (4 bajty). Liczba oznacza numer bajtu od którego zaczyna się dany obszar.

Typy danych dostępne w sterownikach Siemens S7-1200 [1] i GE Fanuc RX3i [2]

Programator i sterownik

Do konfiguracji, programowania i obsługi PLC zazwyczaj wykorzystuje się programator w postaci

oprogramowania dla komputerów PC. Rzadziej programator występuje w formie przenośnego

dedykowanego urządzenia. W laboratorium KSS rolę programatora dla sterowników GE Fanuc pełni

oprogramowanie Proficy Machine Edition, a dla sterowników Siemens oprogramowanie TIA Portal.

Połączenie programator - sterownik za pomocą łączności szeregowej i Ethernetu

Program-programator może łączyć się z PLC GE Fanuc na dwa sposoby: za pomocą łączności

szeregowej RS232/RS485 oraz za pomocą łączności ethernetowej. Ta druga, preferowana - bo

istotnie szybsza, wymaga wcześniejszego nadania i znajomości adresu IP. Oznaczenia adresów IP dla

konkretnych sterowników można odnaleźć na stronach przedmiotów PSI, SP, KSS w pliku PlanSali

200.pdf. Jeżeli jednak nie uda się połączyć ze sterownikiem pod podanym w dokumentacji adresem

IP należy najpierw połączyć się metodą szeregową, nadać adres IP w konfiguracji, a dopiero następnie

przełączyć na łączność ethernetową. W sterownikach Siemens łączność pomiędzy programatorem a

PLC oparta jest wyłącznie o Ethernet, a identyfikacja urządzeń następuje po numerach MAC

urządzenia.

Sprawdzanie i modyfikowanie wartości zmiennych - Watch Tables

Stan zmiennych można podglądać i modyfikować za pomocą tablic zmiennych. Oba systemy PME

i TIA umożliwiają monitorowanie wielu zmiennych zgromadzonych w tablicach jak i zdefiniowanie

określonej listy pojedynczych zmiennych przeznaczonych do monitorowania. Użytkownik ma

możliwość określenia z wykorzystaniem jakiego typu dane mają być wyświetlane.

Programowanie sterowników

Program dla PLC może być zrealizowany w wielu blokach, jednak jego wykonywanie zaczyna się od

bloku MAIN. PLC można programować w wielu językach - graficznych i tekstowych, niskiego i

wysokiego poziomu. Najpopularniejszym językiem jest język graficzny drabinkowy (ang. Ladder

Diagram - LD, LAD), który wywodzi się od schematów stycznikowych dobrze znanych inżynierom

elektrykom. Innym językiem graficznym jest język bloków funkcyjnych (ang. Function Blok Diagram -

FBD) przypominający łączenie bramek i bloków. Języki tekstowe to niskopoziomowy język listy

instrukcji (ang. Instruction List) przypominający assembler oraz wysokopoziomowy język ST (ang.

Structured Text i jego odmiana dla Siemensa (ang. Structured Control Language - SCL) przypominający

składnią i możliwościami języki BASIC, PASCAL. Do dyspozycji programistów jest również język grafów

funkcyjnych SFC (ang. Sequential Function Chart) umożliwiający zdefiniowania sekwencji działań i

warunków przejść pomiędzy etapami. Wiele rodzajów sterowników (w tym GE Fanuc) można

programować w języku C jednak język ten nie jest zdefiniowany w normie IEC-61131 i posiada swoją

sterownikową specyfikę.

Wprowadzony program musi być poprawny składniowo, skompilowany i załadowany do PLC.

Zgodność programu w programatorze i PLC jest sygnalizowana w programatorach zielonym kolorem

na kontrolkach stanu. Aby program był wykonywany sterownik należy wprowadzić w tryb RUN.

Nauka programowania i inne umiejętności związane z zastosowaniem PLC do zadań automatyki

i sterowania będą rozwijane podczas przedmiotu Sterowniki Programowalne sem.V AiR

i kontynuowane na przedmiocie Komputerowe Systemy Sterowania sem. VI AiR.

Opracowano na z wykorzystaniem:

[1] Simatic S7 Programowalny sterownik S7-1200 Podręcznik systemu Wydanie 04/2009

[2] Programmable Control Products PACSystems* RX3i System Manual, GFK-2314F, Jan 2015