Programovatelné automaty

Transkript

1 FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Programovatelné automaty Autoři textu: Doc. Ing. František Zezulka, CSc. Ing. Zdeněk Bradáč Ing. Petr Fiedler Ing. Pavel Kučera Ing. Radek Štohl Brno.. 23

2 2 FEKT Vysokého učení technického v Brně Obsah ÚVOD PROGRAMOVATELNÉ AUTOMATY CHA RAKTERISTIKY PLC Technické řešení (HW) programovatelných automatů (PLC) Vstupní/výstupní podsystém PLC Speciální moduly Silová část PLC Modul CPU PRO GRAMOVÁNÍ PLC Úvod do programového vybavení PLC Operační systém PLC Programovací jazyky OTÁZKY KE KAPITOLE ÚVOD DO GRAFCETU HISTOR IE GRAFCETU Požadavky na řízení GRAFCET: POPISNÝ NÁ STROJ Základní elementy Kroky Základní elementy Přechody Základní elementy Orientované hrany Základní elementy obecné poznámky VÝVO J STAVU Zapalitelný (Firable) přechod Pálení (Firing) přechodu Pravidla pálení přechodů AKCE A RECEPTIVITA Bereme v úvahu čas Detaily týkající se časové notace t / i / AKCE A VÝS TUPY Úrovňové akce Úrovňové akce rozšířené možnosti podmíněných akcí Úrovňová akce v nestabilní situaci Impulsní akce REC EPTIVITA Podmínky Události Událost s podmínkou Receptivity PŘÍKLADY POPISU GRAFCETEM SOUČASNÝ STAV A BUDOUCNOST PROGRAMOVATELNÝCH AUTOMATŮ33 4. KATEGORIE PLC KONK URENTI PROGRAMOVATELNÝCH AUTOMATŮ SLOT PLC A SOFT PLC PŘÍKLAD POUŽITÍ IPC OTÁZKY KE KAPITOLE KOMUNIKAČNÍ PODSYSTÉM PLC...4

3 Programovatelné automaty 3 5. SÉRIOVÉ KO MUNIKAČNÍ SBĚRNICE PLC Úvod do sériových komunikací ISO/OSI model Fyzický přenos Výměna dat mezi jednotlivými účastníky Synchronní a asynchronní přenos dat Přístupové metody v lokálních sítích PŘEHLED PRŮMYSLOVÝCH KOMUNIKAČNÍCH SBĚRNIC PROFI BUS FIP PROTOKOL CAN (CONTROLER AREA NET WORK) [ 7 ] Základní vlastnosti Fyzické médium a fyzická vrstva PROTOKOL DEVICENET Fyzická vrstva v síti DeviceNet Aplikační vrstva protokolu DeviceNet ETHER NET Průmyslové sítě a Ethernet Komunikační protokoly průmyslového Ethernetu Technologie známé z Internetu Ethernet z hardwarového hlediska Zhodnocení perspektiv MODBUS TCP VYSOCE BEZPEČNÉ A VYSOCE FUNKČNÍ PLC ŘÍZENÍ ÚVOD ZÁKLAD NÍ POJMY METODIKA FT NÁVRHU BOJ P ROTI CHYBÁM Předcházení chybám Maskování chyb Eliminování vlivu chyb Rekonfigurace UKAZATELE SPOLEHLIVOSTI Střední doba mezi poruchami Pravděpodobnost bezporuchového provozu R(t) Sériový spolehlivostní model Paralelní spolehlivostní model S YSTÉM TMR PŘÍKLAD FT PŘI PLC ŘÍZENÍ VYSOCE BEZPEČNÉ A VYSOCE FUNKČNÍ PLC ŘÍZENÍ STANDARDY DIN V IEC Vztah mezi DIN 925 a IEC DCS VYBUDOVANÉ NA BÁZI PLC Příklad PLC orientovaného DCS OTÁZKY KE KAPITOLE

4 4 FEKT Vysokého učení technického v Brně Seznam obrázků OBR. : BLOKOVÉ SCHÉM A VELMI MALÉHO PLC...9 OBR. 2: BLOKOVÉ SCHÉMA STAN DARDNÍHO MODULÁRNÍHO PLC... 9 OBR. 3: ČASOVÝ DIA GRAM ZÁKLADNÍ FUNKCE PLC... OBR. 4: DIGITÁLNÍ VSTUP... OBR. 5: UNIVERS ÁLNÍ DIGITÁLNÍ VSTUP... OBR. 6: ZAPOJENÍ DIGITÁLNÍHO VÝSTUPU... OBR. 7: ZAPOJENÍ SKUPINY VÝST UPŮ... OBR. 8: IDEA PR OVÁDĚNÍ ŘÍDICÍHO PROGRAMU PLC... 3 OBR. 9: CYKLICK Ý REŽIM PLC... 3 OBR. : TIME -DRIVING-MULTITASKING U PLC... 4 OBR. : CHOVÁNÍ CH ODCE NA ŘÍZENÉM PŘECHODU... 7 OBR. 2: ZÁKLADNÍ ELEM ENTY GRAFCETU KROKY... 8 OBR. 3: ZÁKLADNÍ ELEM ENTY GRAFCETU PŘECHODY... 8 OBR. 4: ZÁKLADNÍ ELEM ENTY GRAFCETU ORIENTOVANÉ HRANY... 9 OBR. 5: VÝVOJ STAV U... 2 OBR. 6: PÁLENÍ PŘECHODU... 2 OBR. 7: PŘÍKLADY PÁLENÍ PŘECHODU OBR. 8: ŘEŠENÍ KONFLIKTU OBR. 9: ILUSTRACE ČASOVÉ NOTACE T / I / OBR. 2: PŘÍKLADY ČASOVÝCH ZÁVISLOSTÍ OBR. 2: NEPOD MÍNĚNÁ A PODMÍNĚNÁ ÚROVŇOVÁ AKCE OBR. 22: DALŠÍ MOŽN OSTI PODMÍNĚNÝCH ÚROVŇOVÝCH AKCÍ OBR. 23: ÚROVŇOVÁ AKCE V NESTABILNÍ SITUACI OBR. 24: IMPUL SNÍ AKCE OBR. 25: PŘÍKLAD 3.3: NAKLÁDÁ NÍ VOZÍKU OBR. 26: PŘÍKLAD 3.5: DĚLIČKA DVĚMI... 3 OBR. 27: PŘÍKLAD 3.7: POHYBU JÍCÍ SE VŮZ... 3 OBR. 28: PŘÍKLAD 3.9: PLNĚNÍ NÁ DRŽÍ OBR. 29: PŘÍKLAD IPC PRO ŘÍZENÍ VÝROBNÍ BUŇKY OBR. 3: KONFIG URACE IPC PRO PLC A CNC ŘÍZENÍ VÝROBNÍ BUŇKY OBR. 3: SW VYBAVE NÍ IPC PRO ÚČELY ŘÍZENÍ VÝROBNÍ BUŇKY OBR. 32: PROUDOVÁ SMYČKA -2MA S GALVANICKÝ ODDĚLENÍM A NAPÁJENÍM ZE STRANY VYSÍLAČE... 4 OBR. 33: JINÉ ZAPOJENÍ PROUDOVÉ SMYČKY -2M A... 4 OBR. 34: ROZHRANÍ RS OBR. 35: ZAPOJENÍ RS OBR. 36: ZAPOJENÍ RS OBR. 37: SROVNÁ NÍ KOMUNIKAČNÍCH STANDARDŮ OBR. 38: ISO/OSI MODEL OBR. 39: PŘENOS ZPRÁVY MEZI VRSTVAMI OSI MODELU OBR. 4: FYZICKÁ TV ORBA PAKETU OBR. 4: PŘENOS V ZÁKLADNÍM PÁSMU OBR. 42: KÓDOVÁNÍ S IGNÁLU OBR. 43: SYNCHRONN Í A ASYNCHRONNÍ PŘENOS ZPRÁV OBR. 44: TDM A FDM OBR. 45: ZNAKOVĚ ORIENTOVAN Ý PŘENOS OBR. 46: R ÁMEC HDLC OBR. 47: BLOKOVĚ O RIENTOVANÝ PŘENOS OBR. 48: PŘEHLED SÉRIOVÝCH KOMUNIKACÍ... 49

5 Programovatelné automaty 5 OBR. 49: ROZDĚLENÍ PR ŮMYSLOVÝCH SÍTÍ...5 OBR. 5: ARCHITEKTURA PROTOKOLŮ PROFI BUS...5 OBR. 5: PRINCIP PŘÍSTUPU K SÍTI U SÍTĚ PROFIBUS...5 OBR. 52: METODA PŘÍSTUPU KE SBĚRNICI...52 OBR. 53: FYZICKÉ USP OŘÁDÁNÍ SÍTĚ CAN...53 OBR. 54: MODEL DEVICENET...54 OBR. 55: V ÝZNAM IDENTIFIKÁTORU ZPRÁVY...55 OBR. 56: PRINCIP VLOŽENÍ MODBUSOVÉ ZPRÁVY DO TCP PAKETU...59 OBR. 57: FT ŘETĚZEC...6 OBR. 58: METODIKA FT...63 OBR. 59: HRANICE PŮ SOBNOSTI JEDNOTLIVÝCH FT TECHNIK...64 OBR. 6: VANOVÁ K ŘIVKA...64 OBR. 6: SÉRIOVÝ SPOLEHLIVOSTNÍ M ODEL...66 OBR. 62: PARALELNÍ SPOLEHLIVOSTNÍ MODEL...67 OBR. 63: S YSTÉM TMR...67 OBR. 64: MODEL KOLEJ IŠTĚ...68 OBR. 65: ŘÍDICÍ STRUKTURA SE DVĚMI PLC...69 OBR. 66: ŘÍDICÍ STRUKTURA SE DVĚMI PLC A KOMUNIKAČNÍ SBĚRNICÍ...69 OBR. 67: PRINCIP V YHODNOCENÍ I/O CHYBY...7 OBR. 68: PRINCIP REKONFIGURACE...7 O BR. 69: RIZIKOVÝ MODEL DLE DIN OBR. 7: METODIKA URČENÍ ÚRO VNĚ SIL...73 OBR. 7: VZTAH MEZI DIN 925 A IEC OBR. 72: VZTAH M EZI IEC 95-, DIN 925 A IEC OBR. 73: PLC ORIENTOVAN Ý DCS...76 OBR. 74: BLOKOVÉ SCHÉMA SIMAT IC PCS

6 6 FEKT Vysokého učení technického v Brně Seznam tabulek T AB. : PŘEHLED PARAMETRŮ SLO T PLC A SOFT PLC T AB. 2: VARIANTY FYZICKÉHO MÉDIA T AB. 3: PŘEHLED REKONFIGUACE A DETEKCE CHYB... 7 T AB. 4: VZTAH M EZI PRAVDĚPODOBNOSTÍ PORUCHY A SIL ÚROVNÍ T AB. 5: STANOVENÍ POSTUPŮ PŘI VYTVÁŘENÍ BEZPEČNÉHO SYSTÉMU DLE SIL... 76

7 Programovatelné automaty 7 Úvod Programovatelné automaty (Programmable Logic Controlers PLC) se staly nejvýznamnějším řídicím prostředkem pro řízení technologických procesů, výrobních linek a strojů již během první poloviny 8. let. Byly odezvou na vývoj mikroelektronické technologie, který umožnil vytlačit centralizovaného řízení, reprezentované řídicími počítači a minipočítači distribuovanou řídicí technikou. Tato technika (PLC) sice zůstala na dlouhou dobu pozadu v programátorském komfortu za řídicími počítači a minipočítači, na druhé straně vykazovala nesporné výhody. Mezi ty patří spolehlivost, snazší rozdělení řídicí struktury na samostatné celky s jasně definovatelnými rozhraními, vysoká spolehlivost, nižší náklady na kabeláž. Z toho plyne rychlejší uvedení do chodu, snazší údržba, jednodušší ladění programů, modulární výstavba a tím optimalizace ceny HW, vysoká stabilita jednoduchého operačního systému, nižší nároky na kvalifikaci projekčních a inženýrských pracovníků, celkově nižší náklady na realizaci projektu, uvedení do chodu a závěrečné fáze projektu. 2 Programovatelné automaty Vzhledem k tomu, že PLC nenahradily jen řídicí počítače a minipočítače, ale i malou automatizaci, reprezentovanou průmyslovými regulátory, bezkontaktní logikou a reléovou logikou, bylo pochopitelné, že jedním z kategorických požadavků průmyslu (projektantů, elektroinženýrů a středních odborných pracovníků) byl především jednoduchý programovací jazyk, který by byl velmi podobný jazyku logických schémat, booleovským rovnicím, reléovým schématům, assembleru. Díky těmto jednoduchým programovacím "jazykům" bylo poměrně jednoduché klasickou techniku logického řízení nahradit programově orientovanými a tedy nesrovnatelně flexibilnějšími řídicími systémy - programovatelnými automaty. Programovatelný automat umožňuje logické rovnice naprogramovat, zatímco předcházející bezkontaktní nebo reléová logika (nebo v dnešní době programovatelná logická pole) řeší logické rovnice fyzickým propojením logických členů. Jakákoli změna logické struktury se snadno provede změnou programu programovatelného automatu, což je podstatně jednodušší, než přepojení reléového nebo logického schéma. Odhlédneme-li od počáteční nespolehlivosti prvních programovatelných automatů (způsobené především nespolehlivostí elektronických součástek), náhrada relé a bezkontaktní logiky programovatelnými automaty byla jednoduchá a úspěšná. V případě náhrady řídicího počítače programovatelným automatem nebyla situace pro novou technologii zdaleka tak příznivá. Pokročilejší programovatelné automaty sice vykazovaly již dostatečnou spolehlivost a rovněž organizace projekčních prací a jejich realizace byly výrazným zjednodušení oproti centralizovanému návrhu, sériovém ladění jednotlivých úloh a uvádění složitého systému do chodu, na druhé straně programátorský komfort minipočítačů se programovým prostředím PLC nahradil v plné míře až s příchodem SCADA systémů. Výhody a nevýhody programovatelných automatů: A. Výhody : rychlé přeprogramování úlohy malá varieta náhradních dílů

8 8 FEKT Vysokého učení technického v Brně možnost vystavění velké hierarchické struktury dle potřeby flexibila (naprojektování na míru) modularita (možnost rozšíření) hospodárnost (levné velmi malé a malé kompaktní automaty) vestavěná diagnostika vlastního PLC možnost tvorby diagnostiky vnější jednoduché programování možnost použití vyšších programovacích jazyků u nových automatů jednoduchý a tím spolehlivý OS reálného času velká nabídka kvalitních přístrojů různých výrobců B. Nevýhody: nižší programátorský komfort než u minipočítačů vyšší cena než IPC ekvivalentního výkonu při nižším programátorském komfortu PLC menší flexibilita ve srovnání s IPC užití nedostatečně standardizovaných sériových komunikačních sběrnic pro propojení automatů do sítí nezbytnost hierarchické architektury při propojování do větších celků 2. Charakteristiky PLC 2.. Technické řešení (HW) programovatelných automatů (PLC) V době svého vzniku (konec 6. let) si programovatelné automaty kladly za úkol nahradit efektivnějším způsobem reléovou a později i bezkontaktní logiku. Proto jejich architektura vycházela z toho, že budou zpracovávat binární informaci. Jako HW jádro používaly bitové procesory. To mělo za následek, že v době velmi pomalých procesorů s 8 nebo 6 bitovým slovem (v průběhu 7. let), se jevily bitové procesory jako velmi rychlé, kvaziparalelní řešení ve srovnání s 8 a 6bitovými procesory. Proto se na architekturu PLC kladly následující nároky: bitově orientovaná CPU bitově orientovaná paměť dat slovně orientovaná paměť programu rozhraní na programovací přístroj jednoduchý instrukční soubor na zpracování logických rovnic systém speciálních funkcí (časovače, čítače a další) Takto zkonstruovaný PLC se do dnešní doby nezachoval. Rychlost a příznivá cena výkonných mikroprocesorů umožňuje použití slovně orientovaných mikroprocesorů i u velmi

9 Programovatelné automaty 9 malých PLC. Přesto se blokové schéma velmi malých, kompaktních PLC liší od architektury středních a velkých automatů, jak je patrné z Obr. a Obr. 2. Obr. : Blokové schéma velmi malého PLC Řízení logické úrovně je nemyslitelné bez toho, aby byly k disposici v základním vybavení každého PLC časové funkce (časovače) a funkce čítání impulsů (čítače). Proto každý PLC má tyto dvě funkce v základním programovém vybavení. Obr. 2: Blokové schéma standardního modulárního PLC Je patrné, že blokové schéma standardního modulárního PLC je velmi podobné na architekturu mikropočítače. Základ tvoří vnitřní 6 nebo 32 bitová sběrnice, kolem které je modulárně vytvořen celý PLC. Zatímco u prvních PLC s bitově orientovanou CPU byla paměť programu oddělena od paměti dat nebo naopak a pro data se používala i jiná (bitová) organizace paměti, dnešní PLC mají jednu operační paměť, ve které jsou vyhrazeny prostory pro vstupní data, výstupní data, vnitřní proměnné a paměťový prostor na vlastní program. Kromě toho jsou v paměti uloženy i funkční bloky a funkce jak systémové, tak vytvořené uživatelem. Způsob práce, který od počátku charakterizuje PLC a odlišuje je od řídicích mikropočítačů, t.j. cyklický způsob vykonávání programu zůstal základním režimem prakticky všech PLC. Tento základní režim práce PLC je ukázán na Obr. 3.

10 FEKT Vysokého učení technického v Brně Obr. 3: Časový diagram základní funkce PLC 2..2 Vstupní/výstupní podsystém PLC Programovatelný automat má perfektně propracovaný podsystém vstupů a výstupů. Tato vlastnost (platí i pro velmi malé PLC), která charakterizuje tyto řídicí systémy, je jednou z příčin jejich trvalé popularity. Zatímco s nákupem programovatelného automatu uživatel přirozeně nakupuje perfektně vyřešený podsystém vstupů a výstupů v pevné konfiguraci (kompaktní PLC) nebo v jednotlivých V/V modulech. V případě, že se rozhodne pro některou jinou alternativu řídicího systému (jako mikropočítač, programovatelné hradlové pole apod.), musí podsystém vstupů a výstupů řešit. Na Obr. 4 je principiálně znázorněno řešení karet digitálních vstupů PLC. Obr. 4: Digitální vstup Digitální vstupy bývají i v universálním provedení (střídavé i stejnosměrné napětí viz Obr. 5). Kromě galvanického oddělení jsou vybaveny filtrem pro odfiltrování poruchových signálů (3 ms RC filtr na vstupu) a diodami pro ochranu proti přepólování a proti napěťovým špičkám (Obr. 4). Digitální výstupy jsou buď v nevýkonovém provedení do max. stovek ma (s tranzistorem Obr. 6) nebo výkonové (s tyristorem) nebo reléové pro spínání větších výkonů stejnosměrných i střídavých. Obr. 5: Universální digitální vstup

11 Programovatelné automaty Obr. 6: Zapojení digitálního výstupu Kromě digitálních (též binárních) vstupů a výstupů DI/DO poskytují uživateli jak mnohé kompaktní, tak především modulární PLC i analogové vstupy a výstupy. Analogové vstupy jsou napěťové pro stejnosměrné napětí s různou přesností A/D převodníků (typicky 2bitové), nebo proudové (4 2 ma), nebo proudové pro připojení Pt. Analogové výstupy jsou v různém provedení dle požadovaného výkonu. Často se analogový výstup realizuje formou šířkově modulovaných výstupních impulsů konstantní amplitudy. Obr. 7: Zapojení skupiny výstupů 2..3 Speciální moduly U modulárních PLC najdeme velkou nabídku speciálních modulů, které rozšiřují působnost programovatelného automatu daleko za původní hranice jeho určení. Jde např. o moduly realizující až 8 regulačních smyček s volitelnými parametry PID regulátorů. Dále o moduly pro řízení hydraulických servoventilů a proporcionálních ventilů, moduly diagnostiky, vizualizační moduly pro sledování procesu na připojených provozních obrazovkách (tyto velmi drahé moduly již ztratily na významu s příchodem prostředí Windows), moduly pro měření teploty, pro regulaci teploty, a další. Zvláštní místo mezi speciálními moduly zaujímají moduly komunikační. Pomocí těchto modulů jsou automaty propojovány navzájem mezi sebou a s vyššími i nižšími úrovněmi řízení po průmyslových sériových sběrnicích Silová část PLC Do této části zahrneme jak rám programovatelného automatu, tak napájecí zdroj. Kompaktní a velmi malé PLC jsou v jiném mechanickém provedení, než modulární PLC. Napájecí zdroj, CPU, podsystém I/O, speciální moduly (komunikační rozhraní) jsou provedeny v jednom kompaktním celku bez možnosti rozšíření (jedině připojením dalšího - rozšiřujícího kompaktního modulu, viz kupř. Telemecanique TSX). Naproti tomu mechanické provedení modulárních PLC umožňuje modulární výstavbu systému, volbu její minimální až maximální varianty, připojování rozšiřujících rámů, propojování automatů navzájem mezi

12 2 FEKT Vysokého učení technického v Brně sebou a se sousedními úrovněmi řízení pomocí sériových sběrnic. Rám se již zcela výjimečně konstruuje robustně, s vývojem mikroelektroniky se systémy zmenšily z velikosti odpovídající dvojitému evropskému formátu na jednoduchý. Jen nejvýkonnější automaty jsou pak stále ještě v provedení 2E. Moduly (karty) zaujímají v rámu jednu nebo 2 pozice. Provedení rámu zpravidla definuje i pozici karet. Výkonový zdroj (buď na 23V AC, nebo na 24V DC) má danou pozici, podobně jako CPU. Rovněž přídavná paměť a komunikační procesory mají přesné místo v rámu. Ostatní karty (někdy s výjimkou speciálních karet) mají polohu libovolnou. Rám je vybaven vnitřní paralelní systémovou sběrnicí pro signálové a elektrické propojení modulů s CPU a pamětí. Umístění karty v rámu však zpravidla určuje i její adresu a dle tohoto fyzického uspořádání karet je třeba systém zkonfigurovat. Mechanické upevnění modulů (karet) je v provedení" plug-and-play" a klade na obsluhu minimální nároky. U předcházející generace středních a velkých PLC byl v rámu umístěn i ventilátor. Rám se zpravidla montuje na montážní lištu do rozvaděče, neboť současná generace PLC již není v takovém IP krytí, aby se umisťovala přímo do procesu. Rám zpravidla obsahuje i modul s konektory pro propojení rozšiřujících rámů. Tak je možné rozšířit počet I/O, příslušejících k dané CPU, umístěné v základním rámu. Vzdálenost bývá buď krátká (do m, když se jedná o rozšíření v jednom rozvaděči) nebo do m Modul CPU Tento modul tvoří jádro PLC a je zpravidla k disposici v různém provedení dle výkonu procesoru. Modul CPU je také jediným modulem, ve kterém se během životnosti daného PLC dá pružně reagovat na vývoj mikroelektronické technologie. Moduly CPU mají též zabudováno některé programovací nebo komunikační rozhraní pro přenos programu do paměti programu. Moduly CPU modulárních PLC musí toto programovací rozhraní obsahovat z principu, u modulárních záleží na výrobci, zda rozhraní provede jako samostatným modul nebo zda jím vybaví modul CPU. Rozdíl v ceně modulu CPU s rozhraním kupř. Profibus a bez něj je značný. Modul CPU je zpravidla vybaven: procesorem s 6 nebo 32, výjimečně s 64 bitovým slovem může být doplněn bitovým procesorem pro rychlé řešení logických rovnic (jen u velkých a některých středních PLC a u starší generace PLC) bitovými registry (flags) pamětí EPROM pro operační systém pamětí RAM (zálohovanou) pro program pamětí RAM (zpravidla zálohovanou) pro V/V data programovacím rozhraním standardizovaným rozhraním s protokolem pro sériovou komunikaci s nižší i vyšší řídicí úrovní

13 Programovatelné automaty Programování PLC 2.2. Úvod do programového vybavení PLC Základní režim práce programovatelných automatů je cyklický režim provádění řídicího programu. Tím se zásadně liší od počítačů pro vědecko technické výpočty i od řídicích počítačů, minipočítačů a mikropočítačů. Je to dáno tím, že původním posláním PLC byla náhrada reléové a bezkontaktní logiky. Ta ovšem také pracuje jako paralelní řídicí systém, protože na danou kombinaci vstupních signálů (vstupní vektor) dává v libovolném okamžiku odpovídající reakci (výstupní vektor). Programovatelné automaty simulují tuto funkci rychlým sériovým zpracováním vzorku vstupního vektoru a vysláním výstupního vektoru opět v jednom okamžiku. To předpokládá, že řídicí program obsahuje všechny logické funkce mezi vstupními, vnitřními a výstupními signály, které jsou potřebné pro řízení daného technického zařízení v logickém sledu. Dále to předpokládá, že programy jsou řízeny jednoduchým operačním systémem reálného času, který zaručuje naskenování vstupního vektoru, výpočet všech logických rovnic, které popisují daný řídicí systém a vyslání výstupního vektoru na výstupní zařízení, která realizují výstupní signály. Kromě toho musí operační systém také zajistit spuštění a stop PLC a jeho vnitřní diagnostiku. Na Obr. 8 je ukázka principu řešení programového vybavení PLC. Obr. 8: Idea provádění řídicího programu PLC Operační systém PLC Operační systém je soubor programů, které spolu s dalšími vlastnosti výpočetního systému tvoří základ pro pracovní režimy výpočetního systému. Zejména vykoná řízení a dohled nad běžícími programy. Programovatelné automaty PLC jsou vybaveny zpravidla jednoduchým, spolehlivým operačním systémem reálného času. Jednoduchost a spolehlivost operačního systému (OS) programovatelných automatů hraje významnou roli v konkurenceschopnosti PLC oproti IPC a dalším prostředkům průmyslové automatizace. Obr. 9: Cyklický režim PLC Tento operační systém musí zajistit výše uvedené funkce pro provádění jak cyklického programu (Obr. 9), tak reagování PLC na vnitřní i vnější události mimo cyklický režim.

14 4 FEKT Vysokého učení technického v Brně Režim přerušení může být parametrizován, takže časově kritické akce mohou být obslouženy mimo cyklus PLC. Proto je v PLC implementována některá z forem mnohonásobného provádění úloh, tzv. multitasking. V současné době, kdy většina PLC má k disposici jen jednu CPU, nejde o skutečný paralelní běh úloh na multiprocesorovém systému, ale pouze o souběžné vykonávání několika úloh na jediném procesoru. V dalším uveďme princip jednoduchého multitaskingového systému, implementovaného často na stávajících PLC. Jedná se o jistou jednoduchou formu multitaskingu, kdy i zde lze rozlišovat přerušení od časovače (time-driving-multitasking) a přerušení od procesu (event- driving-multitasking). Na Obr. je znázorněna funkce PLC při time-driving-multitasking [ ]. Jednotlivým úlohám (task) jsou přiřazeny priority až 4. Čím vyšší číslo, tím vyšší priorita. Úlohy 4 a 2 se vykonávají v každém cyklu, protože jde o časově kritické úlohy, které nestačí ošetřovat s delší periodou. Naopak úlohy 3 a stačí ošetřovat jen každý druhý cyklus. Na Obr. je dále vidět, že dle priority jsou tasky vykonávány v pořadí a dále to, že doba cyklu není dostatečně dlouhá, takže task se nestačí vykonat v jednom cyklu. Zbytek úlohy (task) se proto musí vykonat v následujícím cyklu, ale s prioritou nižší, než mají úlohy 4 a 2. V tomto režimu může každý uživatel psát svoji úlohu nezávisle na ostatních úlohách. Každý task využívá samostatně "svoje vstupní veličiny". Funkce přerušení je podobná i v případě přerušení od procesu. Kupř. změna vstupní veličiny způsobí start příslušného tasku. Některé multitaskové systémy umožňují libovolnému tasku využívat libovolné proměnné (vstupní, vnitřní proměnné). Obr. : Time-driving-multitasking u PLC I při existenci přerušení zůstává ve většině případů cyklický režim funkce, znázorněný na Obr. 9, základním pracovním režimem. Doba cyklu PLC je zpravidla definována jako doba, kterou PLC potřebuje k načtení dat, vyslání dat na výstupy a zpracování k instrukcí (nikoli instrukce, neboť program o instrukci nedává smysl). Typická doba cyklu moderních PLC (k roku 2) je - 5 ms, přičemž PLC s rychlými CPU do ms jsou k disposici (Mitshubishi a další) Programovací jazyky Stávající programovací jazyky PLC jsou velmi jednoduché. Odpovídají stále ještě ve velké míře svému původnímu poslání, totiž umožnit projektantům logické úrovně řízení přejít z HW řešení boolovských rovnic (pomocí reléové nebo bezkontaktní logiky) na řešení Booleovských rovnic programem pro programovatelný automat. Proto převažují tyto programovací jazyky: A. Grafické jazyk reléových schémat - Ladder Diagram (LD)

15 Programovatelné automaty 5 jazyk logických schémat - Function Block Diagram (FBD) B. Algebraické mnemo kód (SL - Statement List) S vývojem HW programovatelných automatů docházelo i k vývoji programovacích jazyků. Přesto v Německu a střední Evropě se používá v největší míře mnemo kód (německy AWL- Anweisungsliste) kombinovaný s programováním pomocí funkčních bloků a jazyk reléových schémat LD. Ve Francii se prosadil moderní a velmi efektivní jazyk pro popis sekvenčního systému GRAFCET, kombinovaný s LD. Na severamerickém kontinentu se používá takřka výhradně Ladder Diagram. Před několika lety mezinárodní elektrotechnická komise IEC vydala normu, týkající se programovatelných systémů a systémů logického řízení jako takových. Tato norma bude popsána v dalším. Klade si za úkol maximální normalizaci HW a zejména způsobu programování PLC. Je celou řadou výrobců PLC akceptována, avšak má i celou řadu kritiků a její osud není znám s ohledem na rychlý vývoj mikroelektronické technologie. Přesto zůstává nejvýznamnější iniciativou v oblasti programování PLC od vzniku této techniky. Třetí část Normy IEC 3-3 se zabývá programováním a programovacími jazyky. Zahrnuje všechny nejobvyklejší programovací jazyky a doplňuje je na následující množinu: A. Grafické LD FBD SFC B. Algebraické IL ST (Structured Text), vyšší programovací jazyk, podobný PASCALu Sequential Function Chart (SFC) je grafický jazyk vycházející důsledně z GRAFCETu a prakticky totožný s jeho průmyslovou variantou. Kromě toho programovací model IEC 3-3 vychází z prvků strukturovaného programování a podporuje další programovací přístupy, které v oblasti PLC nebyly příliš používány jako povinná deklarace proměnných na počátku programu, jasně definované požadavky na funkce a funkční bloky ap., což v konečném důsledku spěje k systémově neutrálnímu programování PLC, umožňujícímu přenositelnost programu z jedné HW platformy (automatu) na druhou a to i jiného výrobce. U PLC byl vždy kladen velký důraz na spolehlivost a bezpečnost. V dnešní době se tyto požadavky kladou na všechny řídicí systémy ve zvýšené míře. Programovatelné automaty se vyznačují vysokou odolností proti rušení (potenciálové oddělení vstupů a výstupů), definovaným chováním v případě výpadku napájení (uvedení do bezpečného stavu, automatický restart, uložení programu v nedestruktivní paměti, diagnostika vnitřní i vnější). Podrobnější rozbor řešení vysoce bezpečných a vysoce spolehlivých PLC přesahuje rozsah těchto skript, avšak pro jeho důležitost mu bude věnována pozornost v přednáškách. 2.3 Otázky ke kapitole 2 ) Základní vlastnosti programovatelných automatů.

16 6 FEKT Vysokého učení technického v Brně 2) Blokové schéma modulárního PLC. 3) Které systémy konkurují PLC a s jakým výsledkem? 4) Časový diagram základní funkce PLC. 5) Princip obvodového řešení vstupních jednotek PLC. 6) Princip obvodového řešení výstupních jednotek PLC. 7) Vlastnosti operačního systému PLC. 8) Princip funkce PLC v cyklickém a v přerušovacím režimu. 9) Příklad programového vybavení moderních PLC. ) Programovací jazyky PLC, rozdělení, charakteristika, příklad jednotlivých jazyků. ) Cíle normy EN 63 ( IEC 3), SW model. 3 Úvod do GRAFCETu 3. Historie GRAFCETu Do roku 96 bylo logické řízení realizováno pomocí: o elektromagnetických relé o pneumatických relé o elektronických hradel a klopných obvodů V roce 969 byl představen první programovatelný logický automat Počátkem sedmdesátých let dvacátého století umožnily mikroprocesory realizovat složité logické řídicí struktury. PLC jsou používány zejména v následujících odvětvích: strojírenská výroba, hutnictví, chemický, papírenský, potravinářský průmysl, doprava a manipulace, atd. 3.. Požadavky na řízení Popsat sekvenci stavů systému řízeného diskrétními událostmi, přičemž systém může obsahovat obrovské množství stavů. Postihnout souběžné děje pro dosažení jednoduchosti a srozumitelnosti. Obecně, máme-li systém, tak v daném okamžiku pouze změna malého množství vstupů znamená změnu malého množství výstupů. Metodika popisu systému by měla operovat pouze s těmi vstupy/výstupy, které se v daném okamžiku mění. Zajistit snadné pochopení a porozumění vstup-výstupního chování řídicího automatu. Na základě těchto požadavků vznikl GRAFCET.

17 Programovatelné automaty 7 Franzouzský standard: 982 GRAFCET: GRAphe Fonctionnel de Commande Etapes Transitions Mezinárodní standard: 988 (IEC 848) Sequential Function Chart (SFC) 3.2 GRAFCET: Popisný nástroj Příklad 3.: Chování chodce při přechodu přes silnici se semaforem. t 2 r WALK t2 3 r2 RUN t4 r4 t3 r3 4 WALK Obr. : Chování chodce na řízeném přechodu Vstupy: r zelená r2 blikající varovné světlo r3 = r4 - dosažení chodníku Výstupy: WALK - chůze RUN - běh Příklad demonstruje chování chodce při přechodu vozovky na přechodu pro chodce řízeného světelným signalizačním zařízením. Vlastní GRAFCETový model popisuje rozhodovací mechanismus chodce, který řeší řídící úkol. Model se skládá z kroků (čtvereček označený číslem {, 2, 3, 4}) a přechodů (silná příčná čára {t, t2, t3, t4}), přičemž z jednoho kroku do druhého se přechází na základě splnění podmínky připojené k přechodu (podmínky jsou {r, r2, r3, r4}). Aktivní krok v daném okamžiku je označen tečkou. GRAFCETový model využívá pro vlastní rozhodování charakteristik popisující vstupy do rozhodovacího procesu chodce, což jsou informace o barvě svítícího světla (r, r2) na semaforu a informaci o dosažení okraje chodníku (r3, r4) na druhé straně vozovky. Dále výstupy GRAFCETového modelu popisují akční zásahy řídícího algoritmu (příkazy WALK, RUN). Vlastní logika GRAFCETového modelu popisuje rozhodovací mechanizmus odehrávající se v mozku chodce. Na počátku stojí chodec těsně před přechodem pro chodce (GRAFCET je aktivní v kroku krok obsahuje token=tečka). První rozhodnutí chodec prování, když identifikuje, zda svítí zelené světlo na semaforu (r=true). Jestliže je tato podmínka splněna, potom je aktivován krok 2 (GRAFCET je aktivní v kroku 2, krok je deaktovován) a je proveden příkaz WALK (příkaz pro chodce, aby šel volnou chůzí). Nyní může dojít ke dvou různým situacím: a) Chodec přešel přechod a dosáhnul druhé stany vozovky (je splněna podmínka r4=true). Potom GRAFCET přejde do kroku 4 (je aktivní krok 4, krok 2 je

18 8 FEKT Vysokého učení technického v Brně deaktovován) a je aktivován akční zásah WALK, tj. chodec pokračuje ve volné chůzi na chodníku za přechodem a rozhodovací mechanizmus končí. b) V průběhu přecházení přechodu začalo blikat varovné světlo (r2=true), což znamená, že se blíží konec doby svitu zeleného světla a bude následovat přepnutí na červenou. Potom GRAFCET přejde do kroku 3 (je aktivní krok 3, krok 2 je deaktovován) a je aktivován akční zásah RUN, tj. chodec začne utíkat tak, aby urychlil přecházení. Dále pokračuje rozhodovací mechanizmus stejně jako v první situaci, jen ukončení přecházení je dáno splněním podmínky r3=true Základní elementy Kroky. GRAFCET je graf, který obsahuje dva typy uzlů: KROKY a PŘECHODY 2. Orientované hrany spojují buď krok s přechodem, nebo přechod s krokem KROKY: Krok je reprezentován čtvercem: 2 3 Neaktivní Aktivní Počáteční Obr. 2: Základní elementy GRAFCETu Kroky Krok může nabývat dvou stavů: aktivní: Aktivní krok je reprezentován přítomností tokenu (tečky), viz krok 2 neaktivní: Viz krok Kroky, které mají být aktivní při startu systému mají dvojité orámování a říká se jim počáteční kroky (viz krok 3). Věta 3.: GRAFCETu. Akce jsou přiřazeny krokům, tyto akce representují výstupy Základní elementy Přechody PŘECHODY: Přechod je representován příčnou tlustou čarou: () R (2) R2 (3) R3 (4) R4 Jednoduchý Spojovací AND Rozdělující AND Spojovací a rozdělující AND Obr. 3: Základní elementy GRAFCETu Přechody Poznámky: Přechodový symbol je reprezentován příčnou tlustou čarou. V případě, že se jedná o přechod spojující dvě a více hran, musí být před tímto symbolem ještě navíc dvojitá příčná čára, viz přechod (2) a (4).

19 Programovatelné automaty 9 Jedná-li se o rozdělující přechod, ze kterého vychází dvě nebo více hran, musí být tento symbol následován dvojitou příčnou čarou, viz přechody (3) a (4). Věta 3.2: Receptivita (rozhodovací práh) Ri je přiřazená každému přechodu (i). Věta 3.3: Receptivita je funkcí vstupních proměnných a případných vnitřních stavů. Rozdělující AND funkce umožňuje spustit na základě jedné podmínky dva či více paralelních procesů. Přičemž jeden token v kroku bezprostředně předcházejícím přechod se rozpadne na tolik tokenů, kolik paralelních větví následuje za funkcí Rozdělující AND a všechny bezprostředně následující kroky budou aktivovány. Spojovací AND umožňuje na základě jedné podmínky ukončit dva či více paralelních procesů. Přičemž aby byly ukončeny všechny paralelní větve, musí být splněny dvě podmínky, a to všechny bezprostředně předcházející kroky musí obsahovat token a přechod musí být aktivní. V tomto případě se sloučí všechny tokeny v krocích bezprostředně předcházející přechod v jeden, který bude umístěn v kroku bezprostředně následujícím. Spojovací a rozdělující AND umožňuje synchronizovat paralelní procesy. Jedná se o obdobu semaforu v real-time systémech, kde běží více paralelních procesů, a v jednom okamžiku jsou tyto procesy časově synchronizovány. Proto, aby byly ukončeny paralelní procesy předcházející přechodu musí všechny bezprostředně předcházející kroky obsahovat token a přechod musí být aktivní. V tomto případě jsou tokeny sloučeny do jednoho, který přejde přes přechod a následně je rozdělen na tolik tokenů, kolik je spouštěných nových procesů a tyto tokeny jsou umístěny do bezprostředně následujících kroků Základní elementy Orientované hrany () (2) Obr. 4: ORIENTOVANÉ HRANY: Jsou reprezentovány jednoduchou linkou: R R2 (3) R3 2 (4) R4 (5) Spojovací OR Rozdělující OR Orientovaná hrana zdola nahoru Základní elementy GRAFCETu Orientované hrany Poznámky: Orientovaná hrana musí vždy spojovat krok s přechodem, nebo přechod s krokem. V grafické representaci musí obsahovat šipku pouze hrana jdoucí zdola nahoru. Rozdělovací OR funguje jako podmíněné spuštění procesů, přičemž zastává funkcí přepínače. Na základě platnosti podmínky v jedné větví pokračuje vývoj programu právě touto větví. Jedná se o ekvivalent příkazu IF R5 THEN ELSEIF R6 THEN Spojovací OR umožňuje sloučit více alternativních větví do jedné centrální, kterou pokračuje vývoj programu. R5 3 (6) R6

20 2 FEKT Vysokého učení technického v Brně Orientovaná hrana zdola nahoru umožňuje provést návrat v programu, a tudíž vytvářet smyčky v programu Základní elementy obecné poznámky V GRAFCETu nemusí mít krok žádný vstupní a/nebo žádný výstupní přechod. Podobně přechod nemusí mít žádný vstupní a/nebo výstupní krok. Přechod bez vstupního kroku se nazývá zdrojovým přechodem, přechod bez výstupního kroku se nazývá cílovým přechodem. Orientovaná hrana musí vždy mít výchozí uzel (přechod nebo krok) a musí mít i cílový uzel (přechod nebo krok). 3.3 Vývoj stavu () R 2 3 Action A (2) R2 4 Obr. 5: (3) R3 Vývoj stavu Aktivní krok obsahuje právě jeden token, neaktivní krok neobsahuje žádný token. Všechny aktivní kroky v daném okamžiku (např. viz obrázek) plně definují situaci (stav systému) v daném okamžiku. Následný vývoj situace je dán pálením (Firing) přechodů. Obr. 5 ukazuje systém popsaný GRAFCETem. Tento systém obsahuje 4 kroky a 3 přechody. Kroky 2 a 3 jsou aktivní. Daná situace je reprezentována množinou aktivních kroků, tedy v tomto případě {2, 3}. Akce A, související s krokem 3 je prováděna od okamžiku aktivace kroku 3. Věta 3.4: Proměnná Xi je Booleovskou proměnnou, která nabývá hodnoty, tehdy a pouze tehdy, když je krok i aktivní. Proměnná Xi se nazývá stavovou proměnnou kroku. V našem případě: X = X4 =, a X2 = X3 = Zapalitelný (Firable) přechod Přechod je zapalitelný (Firable) tehdy a jen tehdy, když jsou splněny obě následující podmínky: