Průmyslové řídicí systémy

Transkript

1 Bankovní institut vysoká škola Praha Katedra informačních technologií a elektronického bankovnictví Průmyslové řídicí systémy Bakalářská práce Autor: Michal Zátka Informační technologie, manažer projektů IS Vedoucí práce: Ing. Vladimír Beneš Praha červen 2011

2 Prohlášení: Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci zpracoval samostatně a v seznamu uvedl veškerou použitou literaturu. Svým podpisem stvrzuji, že odevzdaná elektronická podoba práce je identická s její tištěnou verzí, a jsem seznámen se skutečností, že se práce bude archivovat v knihovně BIVŠ a dále bude zpřístupněna třetím osobám prostřednictvím interní databáze elektronických vysokoškolských prací. V Praze dne Michal Zátka

3 Poděkování Nejprve bych rád poděkoval všem zaměstnancům ze společností M+W Process Automation s.r.o., Rockwell Automation s.r.o., Esonic a.s. a Siemens a.s., kteří mi byli inspirací. Dále bych rád poděkoval společnosti M+W Process Automation s.r.o. též za inspiraci a především za umožnění využít jejich software pro programování systémů Siemens a Rockwell Automation za účelem vypracování mé bakalářské práce. Jmenovitě bych chtěl pak poděkovat: panu Ing. Janu Rambovi (Programátor; Esonic a.s.) za konzultace ohledně serverů a databází. panu Danielu Uhrinovi dis. (Projektant; M+W Process Automation) za kontrolu gramatiky a konzultace ohledně technologických procesů. panu Ing. Pavlu Podrazkému (Vedoucí oddělení chemie; M+W Process Automation) za konzultace ohledně technologických procesů. Na závěr bych rád poděkoval mému vedoucímu práce Ing. Vladimíru Benešovi za konzultace a především velikou trpělivost při vedení práce.

4 Anotace Tato práce je systematicky rozdělena do kapitol, které by jako celek měly čtenáři objasnit, co vše obnáší oblast průmyslové automatizace. První část této práce představuje hierarchickou strukturu, kterou jsem si vybral, abych co nejlépe mohl popsat architekturu automatizačních systémů, jak jsou jednotlivé systémy na sobě závislé a především co jednotlivé systémy přesně představují. Další části již podrobně popisují jednotlivé struktury hierarchicky od té nejnižší vrstvy tj. technologický proces až po nejvýše postavenou tj. informační systémy. Z důvodu velikého rozsahu zpracovávané látky se tato práce primárně zaměřuje na průmyslové řídicí systémy, které jsou popsány trochu podrobněji oproti ostatním částem této práce a veškeré ostatní části jsou směřovány spíše k vysvětlení architektury automatizačních systémů jako celku a zároveň k vysvětlení jakou mají souvislost s průmyslovými řídicími systémy. Annotation This work is systematically divided into chapters which, as a whole, should provide the reader knowledge of what industrial automation is. First part of the work introduces hierarchical structure which i chose to be able to best describe automation system's architecture, how these systems are related to each other and what do they represent. Following parts are describing in more detail individual structures hierarchically from the lowest tier, i.e. technological process to the highest level which is information systems. Due to the reason of large extent of the materials iw this work primarily focusing on industrial automation systems which are being described in more detail than the other parts of the work and all the other parts are focusing mainly on explaining the architecture of automation systems as a whole and at the same time to show the relation to industrial control systems.

5 Obsah Úvod Architektura automatizačních systémů Technologické procesy Historie Způsoby řízení technologických procesů Sekvenční Batch Kontinuální Průmyslové řídicí systémy Historie Bloková struktura PLC Typy řídicích systémů Mikrokontroléry Kompaktní systémy Modulární systémy Funkční princip Programovací jazyky Booleova algebra Základní operace Booleovy algebry Zákony Booleovy algebry Logické funkce Datové typy Elementární datové typy Rodové datové typy Odvozené datové typy Popis programovacích jazyků Ladder Logic (LAD) Statement List (SL) Function Block Diagram (FBD) Ostatní programovací jazyky HMI a SCADA systémy HMI panely SCADA systémy Protokoly průmyslové komunikace Ethernet Sériová a paralelní komunikace Profibus Modbus

6 5.5 DeviceNet ControlNet Servery, databáze, komunikace s PC Komunikace PC-PLC OPC Technologie Protokoly Datová úložiště pro průmyslovou automatizaci Souborová úložiště Databáze Závěr Seznam použité literatury Seznam obrázků, diagramů a tabulek Přílohy Příloha č. 1 Ukázka technologického procesu Schéma projektu Zadání Lisování Montáž Kontrola a třídění na OK / NOK Podmínky Bezpečnostní prvky Hierarchie systémů Komunikace mezi jednotlivými systémy Lis DEMAG Pn Manipulátor PLC Nastavení Pásový dopravník Kladičkový dopravník Optická kontrola a následný transport výrobku Kamera Visio Kamera Visio Pn-Hy Manipulátor Závěr Příloha č. 2 - Ukázka jazyka Ladder Příloha č. 3 - Ukázka strukturovaného textu

7 Úvod Jedním z hlavních faktorů, kterým se liší člověk od ostatních živočichů na této planetě je schopnost logického myšlení a uvažování. Tato schopnost sebou přinesla to, že již člověk zručný byl schopen nejen používat, ale i vyrábět a vynalézat jednoduché nástroje, které mu usnadňovaly život. Během vývoje se člověk dokázal z nasbíraných znalostí a zkušeností stále zdokonalovat, objevovat a vynalézat nové a nové nástroje, které se pro něj staly neodmyslitelnou součástí života. Aby bylo možno uspokojit rostoucí poptávku obyvatelstva po zboží, tak bylo nutné zavést sériovou výrobu za pomocí strojních technologií. Za účelem vyšších výnosů, produkce, efektivnosti práce, snížení nákladů za výrobek a odstranění potencionálních chyb lidského faktoru se začala výroba automatizovat. O takové první automatizaci lze mluvit již v dávné historii, kdy člověk objevil například páku nebo využití kladek. Později začal využívat i přírodní obnovitelné zdroje energie jako vítr, pomocí kterého byl schopen například cestovat s plachetnicí po moři, anebo vodu, pomocí které byl schopen roztočit mlýnské kolo. Zásadním krokem ve vývoji automatizace, byl objev elektřiny a později objev a využití elektronických součástek jako například elektromagnetické relé, či různé spínače a první časovače. Pomocí těchto součástek bylo již možno poměrně efektivně automatizovat technologické procesy, ačkoliv byl vývoj, údržba a změny v technologii velmi časově náročné a finančně nákladné. Velký zlom přišel 16. prosince 1947, kdy byl v Bellových laboratořích vynalezen první tranzistor 1 a tím objeven tranzistorový efekt. V brzké době nahradil elektronky 2, které byly drahé, měly menší životnost atd. Tranzistor je dle mého názoru jedním z nejvýznamnějších objevů minulého stolení a je základem všech dneska běžně využívaných integrovaných obvodů (pamětí, procesorů apod.). V dnešní době se integrované obvody využívají téměř ve všech odvětvích, kde se využívá elektronika. Výpočetní technika není výjimkou, a protože je výpočetní technika v automatizaci neoddělitelnou součástí, tak i automatizace jako taková. Prakticky veškeré automatizační systémy jsou dnes již řízeny výpočetní technikou a myslím si, že stejně 1 Zdroj: V některých oblastech se elektronky stále využívají jako např. v hudebních zesilovačích, u některých typů vysílačů, kde je potřeba velký výkon a vysoká kvalita apod. 7

8 jako v mnoha jiných odvětvích si lze automatizaci bez výpočetní techniky jen těžko představit. Účelem této práce je seznámit čtenáře s architekturou automatizačních systémů. Z důvodu velikého rozsahu zpracovávané látky se tato práce primárně zaměřuje na průmyslové řízení pomocí PLC automatů 3 a vizualizaci technologických procesů HMI 4 a SCADA 5 systémy. Sekundárním cílem je z důvodu úzké vazby s primárním zaměřením nutno čtenáře seznámit s principy technologických procesů jako takových, s protokoly průmyslových komunikací a se systémy na vyšší úrovni v architektuře automatizačních systémů, které jsou využívané v technologických procesech. Tato práce byla vytvořena na základě mých zkušeností z průmyslové automatizace, které jsem získal na mnoha tuzemských i zahraničních projektech v oblastech lehkého, středního i těžkého průmyslu. 3 PLC - Programmable Logic Controler neboli česky programovatelný logický automat 4 HMI - Human Machine Interface 5 SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition 8

9 1 Architektura automatizačních systémů Automatizační systémy lze dělit mnoha způsoby. Tato práce je ovšem rozdělena do tzv. pyramidové struktury. Obrázek Architektura automatizačních systémů Managerské systémy Informační systémy Operátorské systémy Řídící systémy Technologické procesy Zdroj: vlastní úprava Název Pyramidová struktura jsem zvolil proto, že vyšší část struktury v průmyslovém řízení nelze efektivně aplikovat bez části níže tzn., že pokud nemáme technologický proces, tak je zbytečné aplikovat řídicí systém, jelikož nelze nic řídit, bez řídicích systémů je zbytečné instalovat operátorské systémy, protože není co sledovat a řídit apod. Technologický proces je posloupnost úkonů, která je potřeba při výrobě a zkoušení jakéhokoliv produktu. Řídicí systém je programovatelné zařízení, které zpravidla slouží k řízení nějakého technologického procesu obvykle z oboru automatizační a regulační techniky. Operátorsky systém slouží k řízení, nastavování a sledování technologického procesu pomocí řídicího systému. Informační systémy se primárně v průmyslovém procesu starají o sběr, zpracování, přenos a uchovávání dat. Dále se informační systém používají k předdefinování a následnému zadávání výrobního procesu pro řídicí systém. Managerské systémy (někdy také managerské informační systémy) se využívají pro zpracování nesetříděných dat z databází za účelem generování grafů a tabulek (tzv. reportů) pro vedení organizace. Tyto systémy nejsou do této práce zahrnuty. 9

10 2 Technologické procesy Technologický proces je soubor aktivit, který je potřebný k naplánování postupu výroby jakéhokoliv produktu. Aby bylo možno naplánovat výrobní zařízení, je nejprve nutné bezpodmínečně technologický proces zhotovit a být schopen vyvinout technologická řešení pokud možno všech potencionálních problémů, které by mohly při výrobě vzniknout. Do oblasti řízení technologických procesů zahrnujeme celu řadu odvětví, např. řízení výrobních linek v automobilovém průmyslu, řízení přepravy produktů (plynu, zboží), řízení výroby v chemickém, potravinářském průmyslu. Ač jsou to rozdílné procesy, mají několik společných znaků: Technologie výroby není centralizovaná na jednom místě, ale je rozmístěna např. po celé výrobní hale (výrobní linka automobilů je například řízená několika PLC, nezřídka i od jiných výrobců či integrátorů). Optimální řízení procesů vyžaduje včasné a bezporuchové měření všech požadovaných hodnot a veličin. Akční členy musí být spolehlivé a bezporuchové. Obvykle bývá stanoven časový interval cyklu zpracování měřených signálů (zvláště důležité u regulací či při požadavcích na přesné polohování) Přenosy dat u systémů řízení jsou v dnešní době z velké části realizovány pomocí sériových komunikačních sběrnic a protokolů, jejichž rychlost je obvykle dostačující 2.1 Historie V minulosti byly používány systémy s jednou centrální řídící stanicí a všechny senzory a akční členy byly připojeny na její vstupy a výstupy. To mohlo zahrnovat i velké vzdálenosti. Cena kabelu byla nezanedbatelnou položkou a navíc se signál z pasivního senzoru nemohl přenášet na velkou vzdálenost bez zesílení, případně upravení. Při velkém počtu senzorů se tak neúměrně zvyšovali náklady. V 80. letech, kdy došlo k velkému rozvoji elektroniky, již nebylo problémem v rozumné blízkosti senzoru umístit jednotku, která např. analogový signál zpracovala do digitální podoby 10

11 (tzv. decentrální periferie). Takto zpracovaný signál byl dále přenášen po sériové sběrnici. Tyto jednoduché distribuované systémy vycházely z následujícího: Systém HP-IB (jinak nazýván GPIB), dnes známý jako IEEE Tato sběrnice byla relativně jednoduchá na implementaci využívajíce jednoduchý paralelní přenos a několik řídích linek. Centralizovaných systémů s přímým přenosem analogové veličiny na střední a velké vzdálenosti. Počítačových sítí LAN. Tyto existující systémy měly některé zajímavé vlastnosti, které byly převzaty do nových průmyslových systémů, např.: Způsob řízení centralizovaný i decentralizovaný Model ISO/OSI ze sedmi vrstev tohoto modelu se v automatizaci využívají většinou tři vrstvy Sériový přenos Částečně byla převzata například možnost použít produkty různých výrobců pro jedno řešení. Tato tzv. otevřenost systému se aplikuje u sdružení výrobců zařízení pro určitou sběrnici (např. Fieldbus Foundation, Modbus, atd.). V současné době se průmyslové sběrnice liší v mnoha ohledech a existuje jich celá řada jako například: Přenosový protokol Přenosové médium Zabezpečení přenosu Pokud mluvíme o otevřenosti systému, můžeme mít na mysli dvě věci: za prvé to může znamenat otevřenost ve významu rozšiřitelnosti dané aplikace systému (např. rozšíření výroby automobilky bez nutnosti instalace nového řídicího systému) nebo za druhé otevřenost ve smyslu využití komponent různých výrobců na jedné síti a jistoty, že tyto komponenty splňují vysoké nároky na specifikaci použité průmyslové sběrnice. 11

12 2.2 Způsoby řízení technologických procesů Sekvenční Technologický proces je rozdělen do sekvencí kroků, které se vykonávají v závislosti na splnění různých podmínek. To znamená, že po spuštění sekvence (která se neprovádí v cyklech, ale na základě požadavku z nadřízeného systému) se např. v prvním kroku spustí ohřev vody a tento krok nebude opuštěn, dokud se voda neohřeje na zadanou teplotu. Jakmile budou splněny podmínky pro spuštění kroku dva (voda dosáhne správné teploty), systém již neprochází krok jedna, ale v cyklu zpracovává krok dva Batch Batch neboli dávkové řízení se používá všude tam, kde se produkuje konečné množství surovin nebo výrobku v tzv. dávkách. Batchový systém spouští technologické procesy v závislosti na receptech. Recept si lze představit, jako seznam všech surovin a aktivit, které mají v závislosti na vyráběném typu určité vlastnosti. Ke každé z položek v receptu lze poté nastavit požadované parametry (např. při výrobě piva množství přidávaného chmelu a pšenice, délka vystírání a vyslazování, požadovaná teplota pro jednotlivé procesy, množství přidávané vody na jednu dávku atd.). V závislosti na daném receptu se automaticky spouští sekvence (jedna či více) s parametry dávky, kde každá sekvence může řídit jiný technologický proces, který je nutný pro výrobu Kontinuální Kontinuální řízení není na rozdíl od sekvenčního nebo batchového konečné. Jedná se o procesy, které musejí být řízeny neustále, např. turbíny, čerpadla apod. Lze tedy říci, že se jedná o technologie, kde není aplikováno sekvenční či batch-ové řízení resp. technologie, kde jsou do nějakého procesu dávkovány určité suroviny a následně probíhá nějaký tepelný či chemický proces. Popis jednoduchého technologického procesu viz Příloha č. 1 Ukázka technologického procesu 12

13 3 Průmyslové řídicí systémy Programovatelný logický automat neboli PLC 6 se stal již v první polovině 80. let nenahraditelnou součástí průmyslové automatizace. Byl určen pro řízení technologických procesů, výrobních linek a strojů. Reagoval na vývoj mikroelektronické technologie, který postupně vytlačil centralizované řízení, představované řídícími počítačovými systémy a minipočítači, distribuovanou řídící technikou. PLC jsou založeny na jednoduchých programovacích jazycích viz Popis programovacích jazyků U řídicího systému byl vždy kladen největší důraz na bezpečnost a spolehlivost. Dnes se tyto požadavky kladou ve zvýšené míře na všechny řídicí systémy, které musí splňovat řadu norem, aby mohly být nejen v průmyslu používány. Vyznačují se především vysokou odolností proti rušení (potenciálové oddělení vstupů a výstupů), jasně definovaným chováním v případě výpadku napájení (uvedení do bezpečného stavu, automatický restart, uložení programu v nedestruktivní paměti, diagnostika vnitřní i vnější apod.). Jejich kvalita a spolehlivost dosáhla již takové úrovně, že řada výrobců umožňuje pomocí automatů a speciálních certifikovaných karet označovaných jako Safety card nahrazovat bezpečnostní prvky v řídicím procesu pomocí softwaru. Tyto bezpečnostní prvky, museli být dříve čistě hardwarové. 3.1 Historie První myšlenka využít počítač k přímému řízení je již velmi stará a první pokusy o řízení v reálném čase se datují přibližně od konce 50. let 20. století. Ovšem až počátkem 70. let se stále se zvyšující výkonností, dostupností a především spolehlivostí počítačů umožnila reálně uvažovat o rozšiřování počítačů v automatizaci. První automatizované procesy se začaly objevovat především v oblastech těžkého průmyslu 7, ovšem tyto první tzv. pokusy byly podle statistických průzkumů provedených tehdejším ústavem INORGA téměř z 60% neúspěšné. Postupným vývojem a zdokonalováním se úspěšnost těchto projektů zvyšovala, ale tempo růstu a stále vysoké náklady za realizaci vedly k tomu, že se začaly vyvíjet specializované počítačové systémy. 6 Programmable Logic Controler 7 Některé materiály uvádějí, že první PLC vzniklo v roce 1968 v automobilce General Motors v USA, kde inženýři hledali alternativní řešení ke komplexním elektromechanickým (reléovým) řídicím systémům. 13

14 Postupný vývoj a pokles cen těchto specializovaných počítačových systémů zapříčinil jejich masové rozšiřování s následkem vytlačení neefektivních universálních počítačových systémů. Během 80. let se vývoj těchto systémů dostal na úroveň srovnatelné s dnešním tvarem. V této době se také pro tyto specializované počítačové systémy ustálilo označení PLC. Začátkem 80. let se vývoj PLC zaměřil především na minimalizaci rozměrů, a standardizaci programovacích jazyků z hlediska funkcí, které PLC využívají. S tímto rozvojem začaly také vznikat nové specializované programovací jazyky, které i dnes umožňují využít je tam, kde by jiné programovací jazyky bylo složité aplikovat. S rozvojem PLC také vzniklo velké množství různých komunikačních protokolů, se kterými automaty pracovaly, a tak koncem 90. let se velmi výrazně zvýšila snaha o jejich redukci a především o jejich sjednocení. V 90. letech přebírají úlohu programovacích přístrojů ve významné míře osobní počítače (stolní i přenosné), což se projevilo v jejich koncepci. Základem programování se stal specializovaný vývojový systém počítačový program, který si každý výrobce přizpůsobuje na míru s podmínkou dodržení mezinárodních standardů. Posledním používaným standardem pro programování řídících automatů se stala norma IEC Ta sjednotila jednotlivé programovací jazyky a vnesla do narůstajícího počtu výrobců v této oblasti řád. 3.2 Bloková struktura PLC Bloková struktura programovatelného automatu je znázorněna viz Obrázek Bloková struktura PLC. Obrázek Bloková struktura PLC Zdroj: vlastní úprava 14

15 Základem PLC jsou v principu tři funkční bloky: zpracování informace, vstupy/výstupy a paměť. Ostatní bloky jsou podpůrné a doplňkové. Jednotlivé bloky uvedené na obrázku mají následující funkci: Zdroj slouží k napájení automatu elektrickou energií. V závislosti na automatu (především u výkonnějších typů) nemusí být automat vybavený vlastním zdrojem, ale využívá se nějaký externí zdroj, či zdroj na RACKu 8. Baterie zálohuje obsah operační paměti (RAM) při výpadku napájení. CPU 9 (centrální jednotka) neboli procesor zpracovává informace. Podle programu načítá z operační paměti hodnoty vstupních, výstupních a pomocných proměnných, provádí požadované logické (případně i numerické) operace a výsledky ukládá zpět do operační paměti. Podle konstrukce CPU se řídicí systémy dělí na Mikrokontroléry, Kompaktní systémy a Modulární systémy. RAM 10 slouží k ukládání řídicího programu a jednotlivých hodnot vstupních, výstupních a pomocných proměnných. S příchodem paměťových karet a FLASH 11 pamětí se řídicí program začal nahrávat samostatně, jelikož řídící program může vyžadovat velké množství místa. Dalším důvodem je, aby při ztrátě energie do RAM paměti (odpojením zdroje ze sítě a vybitím baterie) nedošlo k jeho ztrátě. V případě použití paměťového média pro řídící program si RAM paměť načítá pouze určitou část kódu v závislosti na její kapacitě a operačním systémů automatu. ROM 12 obsahuje systémové programy pro činnost automatu, které uživatel nemůže modifikovat. Později většina výrobců nahradila paměti ROM paměťmi 8 RACK je zařízení, které se připevní nejčastěji v rozváděčové skříni či na jiném místě a následně se na něj nacvakávají jednotlivé karty (zdroj, CPU, komunikační karty, I/O karty, atd.). Povětšinou je pak RACK vybaven sběrnicí, která slouží jako komunikace a rozvod napájení do jednotlivých karet. RACK se hlavně používá u vyšších řad automatů jako například Simatic S7-400 od firmy Siemens, anebo Allen Bradley ControlLogix od firmy Rockwell Automation. 9 CPU = Central Processing Unit 10 RAM (Random-Access Memory) je v informatice typ elektronické volatilní paměti, která umožňuje přístup k libovolné části v konstantním čase bez ohledu na její fyzické umístění. Po výpadku napájení ztratí svůj obsah, a proto je někdy též nazývána RWM (Read-Write Memory). Zdroj Wikipedia 11 Flash paměť je nevolatilní (semipermanentní) elektricky programovatelná paměť typu RAM. Paměť je vnitřně organizována po blocích a na rozdíl od pamětí typu EEPROM, lze programovat každý blok samostatně (obsah ostatních bloků je zachován). Zdroj Wikipedia 12 ROM (Read-Only Memory) je v informatice typ elektronické paměti, jejíž obsah je dán při výrobě, není závislý na napájení (je tzv. nevolatilní) a nelze ji později přepsat. Používá se pro uložení firmware v elektronických přístrojích. Zdroj Wikipedia 15

16 EPROM 13, které dnes ve velké míře nahrazují FLASH paměti. Díky tomu je možné přeprogramovat či aktualizovat firmware automatu. Blok speciálních funkcí obsahuje a obsluhuje časovače, čítače, modul hodin, matematické funkce, sekvenční registry, algoritmy pro regulace atd. Starší, či některé méně výkonné automaty nemusí být tímto blokem vybaveny, anebo mohou mít jen omezené funkce. Komunikační blok neboli síťová karta zajišťuje komunikaci automatu s okolím. Komunikační blok může komunikovat s vlastními periferiemi, či s externími zařízeními po sériové lince, ethernetu či po jiných běžných i speciálních komunikačních sběrnicích. I/O - jednotka pro řízení vstupů a výstupů Vstupní jednotka snímá hodnoty přivedené z procesu, konvertuje je do číslicové formy a ukládá do operační paměti. Výstupní jednotka naopak konvertuje číslicové hodnoty z programu na hodnoty určené na řízení procesu Vstupy a výstupy jsou většinou od čidel a ovládacích prvků v technologickém procesu galvanicky odděleny, jelikož by se při poškození nebo při špatném zapojení síťového napájení, poškození senzoru, pohonu či některého z kabelů mohl vstup/výstup, karta či automat zničit. Vstupy jsou navíc osazeny tvarovacím (neboli vyhlazovacím) filtrem, který odstraňuje nežádoucí efekty (tzv. poklesy napětí a špičky) při nedokonalém spínání elektrických kontaktů. Vstupy a výstupy lze rozdělit na digitální a analogové. Digitální vstup/výstup může mít z hlediska řízení pouze dva stavy v závislosti na napětí logická jednička (24V) / logická nula (0V). Analogový vstup/výstup lze číst/zapisovat několika způsoby kde platí, že přijímací stanice musí být stejně nastavena jako vysílací. V praxi se lze nejčastěji setkat se třemi následujícími způsoby: proudové řízení v rozsahu 0 až 20mA proudové řízení v rozsahu 4 až 20mA napěťové řízení v rozsahu 0 až 10V 13 EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory) je semipermanentní typ paměti typu ROM- RAM, jejíž obsah je mazatelný a před novým naprogramováním je nutné paměť smazat. K programování se používá většinou několikanásobně vyšší napětí než ke čtení. Zdroj Wikipedia 16

17 3.3 Typy řídicích systémů Řídicí systémy dělíme v závislosti na konstrukci procesoru a připojení k ostatním kartám. Existují tři základní typy: Mikrokontroléry Kompaktní systémy Modulární systémy Mikrokontroléry Mikrokontroléry jsou jednoduché relátkové systémy určené pro drobné aplikace. Zpravidla nemají možnost připojit žádné další karty a periferie, takže jsou limitovány počtem vstupů a výstupů. Oproti ostatním typům mají mikrokontroléry vlastní programovací prostředí, jelikož nepodporují takové množství funkcí jako vyšší řady. Pro nejmenší mikrokontroléry nemusí programovací software existovat a mohou být vybaveny malým jednobarevným, či vícebarevným LCD displejem, přes který probíhá konfigurace a programování. Jako představitele této skupiny lze uvést například: Simatic Logo od společnosti Siemens Nižší řada Micrologix od společnosti Rockwell Automation Řada Jazz od společnosti Unitronics Řada Alpha od společnosti Mitsubishi Electric Obrázek 3.2 Simatic Logo Zdroj: 17

18 3.3.2 Kompaktní systémy Kompaktní systém je systém, který v jednom modulu má zabudovaný procesor, komunikační kartu a digitální a analogové vstupy a výstupy. V některých případech může být v kompaktním systému zabudovný i zdroj a HMI panel. Kompaktní moduly mají většinou možnost rozšiřitelnosti o další komunikační karty a vstupní/výstupní periferie, ale tato rozšiřitelnost je omezena. Jako představitele této skupiny lze uvést například: Simatic řada S7-200 a novější řada S od společnosti Siemens Vyšší řada Micrologix od společnosti Rockwell Automation Řada Visio od společnosti Unitronics Horner Řada X-series od společnosti Horner APG Obrázek 3.3 Unitronics V570 Zdroj: 18

19 3.3.3 Modulární systémy Modulární systémy jsou systémy, kde jednotlivé komponenty jako procesor, zdroj, komunikační karty, vstupní a výstupní karty apod. jsou rozděleny do jednotlivých modulů. Jsou určeny k řízení středních a velkých technologických procesů. Z hlediska možnosti počtu připojitelných modulů a periferií, tak modulární systémy nejsou takřka omezené, ale pokud řídicí systém nemá dostatečný výkon, tak se může stát že řídicí systém bude mít moc vysoký čas cyklu, což může být pro řadu technologií nepřijatelné. Jako představitele tohoto typu systému lze uvést například: Simatic S7 řady 300 a 400 od společnosti Siemens CompactLogix a ControlLogix od společnosti Rockwell Automation Řadu FX od společnosti Mitsubishi Electric Obrázek 3.4 Modulární systém Simatic S7 řady Funkční princip Zdroj: Typickou vlastností je cyklické vykonávání v programové smyčce. Hlavním rozdílem od jiných programovatelných systémů je to, že se programátor nemusí starat o to, aby se program vrátil zpět na jeho začátek, jelikož to zajišťuje systémový program. Je ovšem důležité připomenout, že programátor musí zajistit tzv. nezacyklení programu. Tzn., aby programátor ošetřil všechny podmínky, kde se vyskytuje příkaz jump neboli skoč na návěští. Další důležitou vlastností je integrovaná funkce časovače, který měří délku každé probíhající smyčky programu a v závislosti na nastaveném čase automat 19

20 automaticky přejde do režimu stop v případě, že tento čas překročí. Po výskytu této chyby má většinou programátor možnost zobrazit diagnostickou tabulku, která zobrazí nejen důvod přechodu do stop režimu, ale většinou i umí zobrazit poslední vykonávanou operaci, podle které může programátor určit problémový bod. Cyklické vykonávání programu viz Obrázek Cyklické vykonávání programu. Obrázek Cyklické vykonávání programu Režie Systémový program Zápis výstupů Čtení výstupů Řídicí program Řídicí program Zdroj: vlastní úprava Vždy po vykonání poslední instrukce řídícího programu je předáno řízení systémové části programu. Ten nejprve aktualizuje hodnoty výstupů a vstupů. Hodnoty v paměti výstupů přepíše do registrů výstupních periferních modulů a hodnoty ze vstupních modulů přepíše do paměťové oblasti vstupů. Dále systémový program aktualizuje všechny dekadické hodnoty a časové údaje pro čítače, časovače a systémové registry. Na konec provede úkony v rámci komunikace a režijních úkony. Po dokončení posledního úkonu systémového programu započne nová smyčka řídicího programu. 3.5 Programovací jazyky Programovací jazyk je prostředek pro zápis algoritmů, resp. nástroj pro tvorbu řídícího programu automatu. Slouží jako komunikační nástroj mezi programátorem, který formuluje postup daného procesu v předem definovaném programovacím jazyce a řídicím systémem, který následně řídící program interpretuje. V zásadě se dá říci, že se jedná o soubor pravidel pro zápis algoritmu resp. o formální jazyk. Ve světě řídicích systémů existuje celá řada programovacích jazyků založená na různých dialozích. Za první programovací jazyk, který se začal používat, se dá považovat jazyk založený na bázi assembleru. Ovšem s postupným vývojem se začaly objevovat i nové koncepce a platformy, jako například grafická, anebo jazyky na bázi VBA, Pascalu (např. Allen Bradley od firmy Rockwell Automation), či jazyka C. Faktem ovšem je, že jazyky určené k programování programovatelných řídicích 20

21 systémů vychází z pravidel tzv. Booleovy algebry. Mezi takové to jazyky patří např. ladder logic - žebříčková logika, structured text - strukturovaný text, Function Block Diagram (FBD) - Programování pomocí funkčních bloků atd. (viz kapitola Popis programovacích jazyků) Booleova algebra Booleova algebra je abstraktní matematická struktura, která nese název podle irského matematika George Boolea ( ). Lze ji uplatnit v mnoha matematických disciplínách a má široké uplatnění v technických aplikacích. V roce 1938 americký matematik a elektronik Claude Elwood Shannon ( ) předvedl, že ji lze aplikovat pro formální popis logických obvodů, které pracují na principu binární logiky. Od této doby se využívá nejen pro navrhování rozmanitých regulovacích a rozhodovacích systémů, ale také jako teoretický model kombinačních obvodů Základní operace Booleovy algebry Základní operace Booleovy algebry jsou tři: Tabulka 3.1 Základní operace Booelovo algebry Logický součet (disjunkce) Logický součin (konjunkce) Negace OR AND NOT Zákony Booleovy algebry Zcela mimořádnou vlastností Booleovy algebry je její dualita. Vyplývá z naprosté symetrie základních zákonů. Ke každému zákonu lze vždy najít zákon další, k původnímu duální. Tabulka 3.2 Zákony Booelovo algebry 1. Zákon komutativní: A. B = B. A A + B = B + A 2. Zákon asociativní: A. (B. C) = (A. B). C A + (B + C) = (A + B) + C 3. Zákon distributivní: A. (B + C) = A. B + A. C A + (B. C) = (A + B). (A + C) 4. Zákon vyloučení třetí možnosti: A. not(a) = 0 A + not(a) = 1 5. Zákon negace negace: not(not(a)) = A 21

22 6. Zákon agresivity logických hodnot 0 a 1: A. 0 = 0 A + 1 = 1 7. Zákon neutrality logických hodnot 0 a 1: A. 1 = A A + 0 = A 8. Zákon absorpce: A. A = A A + A = A A. (A + B) = A A + A. B = A 9. Zákon absorpce negace: A + not(a). B = A + B not(a) + A. B = not(a) + B 10. Zákony de Morganovy: not(a. B) = not(a) + not(b) not(a + B) = not(a). not(b) Logické funkce Opakovač (repeater) Nejjednodušší logický člen je tzv. opakovač, který realizuje funkci identity. Opakovač může zároveň fungovat i jako buffer - zpožďovací člen. Opakovač má pouze jeden vstup a jeden výstup, kde platí, že hodnotě na vstupu se rovná hodnota na výstupu. Pravdivostní tabulka A Y NOT Druhým nejjednodušším členem je tzv. invertor, který realizuje funkci tzv. logické negace. Negace má pouze jeden vstup a jeden výstup s tím, že výstup má vždy opačnou hodnotu oproti vstupu. Pravdivostní tabulka A Y

23 AND Logický součin neboli konjunkce je součin jedné nebo více vstupních proměnných. Tzn., že na výstupu bude logická jednička pouze v případě, že jsou splněny všechny vstupní podmínky. V případě použití pouze jednoho vstupu funguje stejně jako opakovač. Pravdivostní tabulka A B Y OR Logický součet neboli disjunkce je součet jedné nebo více vstupních proměnných. Tzn., že na výstupu bude logická jednička, pokud je splněna alespoň jedna vstupní podmínka. V případě použití pouze jednoho vstupu funguje stejně jako opakovač. Pravdivostní tabulka A B Y XOR Exkluzivní logický součet neboli exkluzivní konjunkce funguje na principu, že když se přivede na jeden vstup logická jednička a na druhý logická nula, tak na výstupu bude logická jednička. V ostatních případech je na výstupu logická nula. Pravdivostní tabulka A B Y

24 NAND Logický negovaný součin neboli negovaná konjunkce je znegovaný součin jedné nebo více vstupních proměnných. Tzn., že na výstupu bude logická nula pouze v případě, že jsou splněny všechny vstupní podmínky. V případě použití pouze jednoho vstupu funguje stejně jako invertor. Pravdivostní tabulka A B Y NOR Logický negovaný součet neboli negovaná disjunkce je znegovaný součet jedné nebo více vstupních proměnných. Tzn., že na výstupu bude logická nula, pokud je splněna alespoň jedna vstupní podmínka. V případě použití pouze jednoho vstupu funguje stejně jako invertor. Pravdivostní tabulka A B Y XNOR Exkluzivní negovaný logický součet neboli exkluzivní negovaná konjunkce funguje na pricipu, že když se přivede na jeden vstup logická jednička a na druhý logická nula, tak na výstupu bude logická nula. V ostatní případech je na výstupu logická jednička. Pravdivostní tabulka A B Y

25 3.5.2 Datové typy Aby bylo možné pracovat s daty je nutné, aby všechna data, se kterými má programovací jazyk pracovat měly jasně určený datový typ. Datový typ je pro programovací jazyk přesné definování formátu a rozsahu dat. Mezi běžné datové typy patří celá čísla, čísla s plovoucí desetinnou čárkou, znaky, řetězce a pole. Dále existují datové typy, které jsou více konkrétní jako například datum, časové údaje, booleovské hodnoty a varchar (variabilní znak) formáty. Datové typy definuje norma evropské unie pro řídící systémy EN IEC V ČR byly přijaty některé části této normy do normy ČSN EN Datové typy lze rozdělit do třech kategorií: Elementární neboli předdefinované datové typy Rodové datové typy pro příbuzné skupiny datových typů Odvozené datové typy Elementární datové typy Elementární datové typy lze charakterizovat podle počtu bitů a případně rozsahem hodnot. Přehled datových typů viz Tabulka 3.3: Tabulka 3.3 Přehled datových typů Označení Anglický název Datový typ Počet Rozsah hodnot bitů BOOL Boolean Boolelovské číslo 1 0, 1 SINT Short integer Krátké celé číslo až 127 INT Integer Celé číslo až DINT Double Integer Celé číslo dvojnásobná délka až USINT Unsigned short Krátké celé číslo bez 8 0 až 255 integer znaménka UINT Unsigned integer Celé číslo bez znaménka 16 0 až UDINT Unsigned double Celé číslo bez znaménka 32 0 až integer dvojnásobná délka REAL Real (single precision) Číslo v pohyblivé řadové čárce (jednoduchá přesnost) 32 +/-2,9E -39 až +/-3,4E +38 (podle IEC 559) LREAL Long real (Double Číslo v pohyblivé řadové 64 Podle IEC 559 precision) čárce (dvojnásobná přesnost) CHAR Character Znak 1 maximálně 1 znak TIME Duration Trvání času Od :00:00 DATE Date (only) Datum TIME_OF_DATE Time of date (only) Denní čas DATE_AND_TIME Date and time of Absolutní čas day STRING String Textový řetězec maximálně 255 znaků BYTE Byte (8 bits) 1 bajt - sekvence 8 bitů 8 Není deklarován rozsah WORD Word (16 bits) Slovo sekvence 16 bitů 16 Není deklarován rozsah 25

26 DWORD Double word (32 bits) Dvojité slovo sekvence 32 bitů 32 Není deklarován rozsah Důležitou vlastností elementárních datových typů je to, že lze pro každou proměnnou definovat inicializační (počáteční) hodnotu což znamená, že po zapnutí nebo restartu řídicího systému se přepíše uložená hodnota předdefinovanou hodnotou. V případě, že hodnota není nastavena, tak v závislosti na nastavení se buďto přednastaví defaultní hodnota nebo zůstane v proměnné poslední uložená před vypnutím (restartu) řídicího systému. Defaultní hodnota většinou bývá u logických, číselných a časových proměnných nula, u datové a u textových proměnných bývá defaultně NULL, neboli žádná textová hodnota Rodové datové typy Rodové typy vyjadřují vždy celou rodovou skupinu datových typů. Jedná se o typy BOOL, BYTE, WORD a DWORD Odvozené datové typy Odvozené datové typy vycházejí z elementárních datových typů, ale jsou upraveny výrobcem SW, případně pokud to SW podporuje, tak uživatelem. Mohou to být speciální datové proměnné připravené na míru pro zabývající se problematiku SW. Dále pod odvozené datové typy spadají uživatelem předdefinované datové pole a struktury, které se poté lépe aplikují při větším počtu opakujících se proměnných. Datové pole je konstantně nastavený nebo dynamicky se měnící počet datových typů například 20 integerů (nejčastější zápis takového pole je INT[20] ). Datové pole slouží pro snadnější a přehlednější tvorbu v editoru proměnných a jednodušeji se s datovým polem pracuje v programu, jelikož poté stačí uvést pouze symbolický název proměnné (každá proměnná má jedinečný symbolický název) a nastavit buďto konstantu nebo další datovou proměnnou (tzv. indexem) do které části datové proměnné se bude zapisovat. Dále může posloužit při zapisování textových řetězců, kdy si například nadefinujeme do tabulky proměnných pole STRING[50], a poté lze zapisovat do tohoto pole libovolné textové řetězce s maximální délkou 50 znaků. Datová struktura slouží při opakující se posloupnosti různých datových proměnných. Jako příklad lze uvést, že máme v řízené technologii 50 čerpadel, pro které je nutno mít definováno následující proměnné: 26

27 Tabulka 3.4 Příklad pro datovou strukturu Binární vstup BOOL Čerpadlo OK Binární vstup BOOL Čerpadlo v chodu Binární výstup BOOL Čerpadlo Start Analogový výstup INT Frekvence (rychlost) čerpadla Bylo by zbytečně pracné pro každé čerpadlo nadefinovat všechny proměnné, proto si lze předdefinovat takovouto strukturu (viz Tabulka 3.4) a poté tuto strukturu pro další usnadnění nadefinovat jako pole (např. pokud strukturu pojmenujeme cerpadlo, tak by zápis vypadal cerpadlo[50]. S nadefinovanou strukturou se v tabulce proměnných pracuje stejně jako s proměnnou Popis programovacích jazyků S vývojem řídicích systémů resp. s vývojem hardwaru programovatelných automatů docházelo i k rozvoji programovacích jazyků. Většina dnes běžně používaných programovacích jazyků určené pro řídicí systémy jsou velmi jednoduché. Jak již bylo zmíněno, tak většinou vycházení z boolovských rovnic a velmi věrně připomínají reléovou nebo bezkontaktní logiku. Tyto jazyky lze dělit na jazyky grafické a algebraické. Hlavními takovými jazyky jsou: Grafické jazyk reléových schémat (Ladder Diagram) označován zkratkou LD jazyk logických schémat nebo také jazyk funkčních bloků (Function Block Diagram) označován FBD Algebraické strukturovaný text (Structure text nebo také Statement List) označovaný zkratkou SL či STL Ačkoliv je programovacích jazyků více, tak každý výrobce, společnost využívající řídicí systémy, průmyslová odvětví, ale i světové oblasti preferuji určitý programovací jazyk. V Evropě kdysi hojně převládal strukturovaný text, a to především z důvodu velkého rozšíření řídicích automatů Simatic od společnosti Siemens, která tento jazyk dříve preferovala. Dnes prakticky každý výrobce nabízející výkonnější řídicí systémy (nejsou myšleny řídicí systémy pro drobné aplikace) nabízí tvorbu programu ve více jazycích tzn., že možnosti programování jednoho druhu PLC od jednoho výrobce lze psát různými způsoby. Do této kategorie samozřejmě patří i společnost Siemens, který si nejen v Evropě drží pozici leadera. V posledních letech se v Evropě díky přehlednosti 27

28 a snadnému pochopení ve značné míře uchytil i Ladder. V Americe (především v Severní Americe) lze říci, že z 95% převládá právě Ladder, který preferuje Allen Bradley (dnes patřící společnosti Rockwell Automation). V Asii a Austrálii je využití těchto dvou jazyků poměrně vyvážené. Jednou z výhod, kterou dnes většina výrobců poskytuje je to, že lze v programovacích prostředích přepínat mezi jazyky. Nejde o 100% překlad, jelikož každý výrobce preferuje určitý jazyk, který může obsahovat více funkcí. Ty poté nemusí být s jiným jazykem kompatibilní Ladder Logic (LAD) Ladder, neboli celým jménem ladder logic (žebříčková logika) je společně s programovacím jazykem structured text (strukturovaný text) nejrozšířenějším a nejpoužívanějším programovacím jazykem pro programování průmyslových řídicích systémů v oblasti PLC. Ladder patří do skupiny grafických programovacích jazyků, které věrně připomíná principy zapojení reléových soustav. Princip je takový, že mezi dvěma svislými postranicemi, po kterých program sestupuje od shora dolů, jsou jednotlivé příčky, které představují jednotlivé podmínky. Ukázku kódu naleznete viz Příloha č. 2 - Ukázka jazyka Ladder Statement List (SL) Strukturovaný text je druhým nejrozšířenějším jazykem v oblasti programování řídicích systémů. Oproti Ladderu, který je více méně velmi podobný u všech výrobců, může být strukturovaný text vždy velice odlišný. Například v programovacím prostředí od společnosti Siemens strukturovaný text věrně připomíná programovací jazyk assembler. Oproti tomu strukturovaný jazyk od společnosti Rockwell Automation spíše připomíná Pascal, či Visual Basic. Ačkoliv znaky a formát může být trochu odlišný, tak logika a principy jsou velice podobné. Stejně jako ladder je program vykonáván od shora dolů a jednotlivé řádky představují program. Ukázku kódu naleznete viz Příloha č. 3 - Ukázka strukturovaného textu Function Block Diagram (FBD) Tento jazyk je z pohledu předešlých jazyků spíše jazykem podpůrným. Často se, díky své jednoduchosti a přehlednosti, využívá k programování jednodušších funkcí. Dále ho využívají mikrokontroléry určené pro drobné aplikace, resp. k řízení procesů o 28

29 pár vstupech a výstupech a s jednoduchou vnitřní logikou. K programování využívá Booelovu logiku a logické funkce Ostatní programovací jazyky Existuje celá řada dalších programovacích jazyků, které jsou většinou specializované. Jako příklad lze uvést jazyk pro sekvenční (krokové) řízení, kdy jedna z funkcí slouží právě jako krokovač, který se následně odkazuje na jiné funkce, které jsou již psané v běžných jazycích. Je vždy na programátorovi (pokud zadání nezní jinak), který jazyk preferuje a aplikuje, jestli použije specializované jazyky pro ulehčení atd. 29

30 4 HMI a SCADA systémy Pro snadnější pochopení technologie či procesu hrála vždy vizualizace nezastupitelnou roli. Hlavní důvod je, že lidský mozek absorbuje nejvíce informací právě pomocí zraku. Stejně jako dnes, tak již v dávné historii si lidé ve všech kulturách vypomáhali různými gesty, značkami, schématy, obrázky apod. Pomocí těchto pomůcek je možno mnohonásobně zvýšit efektivnost při předávání informací a k jejímu správnému pochopení. Právě tento efekt mají i HMI a SCADA systémy. V dnešní době je již zcela běžné, že se v průmyslové výrobě setkáváme se systémy pro řízení technologických procesů, sledování, zpracovávání a sběr dat pomocí řídicích systémů a počítačů. V oblasti počítačů se může jednat o standardní (běžné) PC, průmyslové PC, specializované průmyslové PC, či jiné platformy. To si samozřejmě vyžaduje i možnost přístupu k těmto datům tak, aby bylo co nejjednodušší, nejpřehlednější a nejefektivnější, tzn. uživatelky přátelské. Dříve se k prezentaci dat využívalo nejčastěji velkých panelů na dispečerských pracovištích, které byly složeny z různých žároviček (případně LED diod), segmentových displejů, analogových a později digitálních zobrazovačů, atd. Hlavní nevýhodou těchto panelů byla samozřejmě pořizovací cena, náklady na Obrázek 4.1 Historické dispečerské pracoviště (Elektrárna Rioni Gruzie) Zdroj: vlastní úprava 30

31 údržbu a případné změny, přehlednost při zobrazování velkého množství dat, požadovaný prostor pro dispečerský panel apod. Obrázek 4.2 Novodobé dispečerské pracoviště (Becherovka a.s. ČR) Zdroj: vlastní úprava V dnešní době se v průmyslu stále častěji setkáváme se systémy pro řízení technologických procesů, sběr a zpracování dat pomocí počítačů. Může se jednat o klasická PC, specializované průmyslové počítače nebo jiné platformy. V souvislosti s tím se zdokonalují i možnosti prezentace těchto dat. Dříve probíhala prezentace dat nejčastěji pomocí velkých panelů zabírajících jednu stěnu dispečerského pracoviště, dnes je tato úloha přebírána SCADA/HMI (Supervisory Control and Data Acquisition/Human-Machine Interface) systémy. Tyto systémy zabírají pouze několik obrazovek počítače. Využívá se především možnosti skrytí méně důležitých dat, které se zobrazují až v případě potřeby. Kritická data, jako alarmové stavy, mohou být zviditelněny tak, aby nešly přehlédnout. V současné době je na našem trhu dostupná celá řada programových systémů SCADA/HMI, které podporují obě hlavní funkce, tj. řízení technologických procesů a vizualizaci. Většinou se jedná o heterogenní otevřené systémy (InTouch, HP VEE, Citect) pracující v operačním systému UNIX, Windows, MS-DOS. 31

32 4.1 HMI panely HMI panely jsou průmyslové panely, určené k řízení menších technologických procesů, anebo případně jako další podpůrné ovládací panely ve velkých technologických procesech společně se SCADA panelem/panely. Tyto panely mají buďto vlastní operační systém připravený na míru výrobcem, anebo fungují na operačních systémech typu Windows CE a Windows Mobile. Není možno v pozadí mít spuštěny další programy a skripty resp. není možno pracovat na bázi multitaskingu. Velikostí uhlopříčky obrazovky, rozlišením či způsobem ovládání (tlačítkové, dotykové) nejsou nijak limitovány. Obrázek 4.3 HMI panel Zdroj: SCADA systémy SCADA panely jsou panely fungující na bázi PC. Většinou pracují na operačních systémech typu Windows XP, UNIX, Linux apod. Do průmyslu se spíše využívají průmyslové PC, které jsou přizpůsobeny oproti běžnému PC do náročného prostředí, ale lze se setkat i s klasickými PC a LCD monitory, jako například na velíně či dispečerském pracovišti. Většinou se využívají na komplikovanější vizualizace nebo tam, kde je nutné, aby na pozadí běžel například systém pro sběr dat, či jiný program. Obrázek 4.4 SCADA panel Zdroj: 32

33 5 Protokoly průmyslové komunikace 5.1 Ethernet Ethernet patří mezi technologie, které byly vyvinuty původně pro odvětví IT pro přenos dat. V dnešní době se Ethernet již stává velmi běžnou a vyhledávanou komunikací v průmyslovém prostředí a to prakticky ve všech odvětvích. Oproti jiným využívaným platformám si Ethernet zabírá své místo díky mimořádně rychlé přenosové rychlosti a univerzálnosti. Faktem je, že standardní sběrnicové platformy jako Modbus, Profibus či DeviceNet, které se stále využívají díky své spolehlivosti, stále nevymizely, ale jednotliví výrobci se snaží vyvíjet vlastní verze komunikace na bázi ethernetu, které v dnešní době dosahují prakticky srovnatelných kvalit jako komunikace výše zmíněné. Jako příklad lze uvést firmu Siemens, která jako výrobce sběrnice Profibus má ethernetovou variantu PROFInet, pro Modbus sběrnici Modbus TCP. Firma Rockwell Automation, která je výrobcem sběrnice DeviceNet vyvinula následníka s název Ethernet/IP. Mezi další známé varianty průmyslového Ethernetu patří například Ethernet Powerlink od společnosti B&R, či EtherCAT vyvinutý původně firmou Beckhoff a který díky nízkým pořizovacím nákladům a velmi vysoké přenosové rychlosti si nachází stále větší oblibu mezi integrátory. Přenosová rychlost a maximální délka kabeláže je závislá na mnoha faktorech jako například na použité síťové vrstvě a verzi, na tom, jestli je kabeláž optická či metalická, na kvalitě stínění, na klimatických podmínkách atd. Přenosová rychlost se tedy může pohybovat od několika kbit/s až po několik Gbit/s. Při zavádění Ethernetu v průmyslovém prostředí je i v dnešní době stále na místě postupovat s rozmyslem, jelikož i dnes není zcela bezproblémový. Například při použití nevhodných kabelů a konektorů může být v prostředí kolísavých teplot, či zvýšeného elektromagnetického záření komunikační přenos rušen. Další problém lze nalézt v typicky hvězdicové topologii Ethernetu, kdy je každý prvek připojen vlastním kabelem k centrálnímu ethernetovému switchi a ne do běžné sběrnicové topologie jako u jiných průmyslových komunikačních protokolů, ačkoliv některé společnosti již začínají zabudovávat malé switche do jejich zařízení, které lze řadit do sběrnicové topologie. Lze tedy říci, že Ethernet má a zcela jistě ještě najde nemalé uplatnění v průmyslové automatizaci, ale i v nejbližší době se na mnoha místech stále uplatní i starší standardní verze průmyslových komunikací. 33

34 5.2 Sériová a paralelní komunikace Rozdíl mezi sériovou a paralelní komunikací V závislosti na počtu současně přenášených bitů rozlišujeme sériový a paralelní přenos dat. Sériový přenos dat je charakterizován tím, že v jednom časovém okamžiku je přenášena informace o velikosti jediného bitu, zatímco při paralelním přenosu se v jediný okamžik přenáší informace o hodnotě dvou a více bitů. S toho logicky vyplívá, že paralelní přenos při srovnatelných parametrech přenosové rychlosti je rychlejší, ale na úkor nutnosti složité kabelové soustavy, jelikož paralelní přenos vyžaduje pro každý komunikační kanál vlastní přenosovou soustavu (obvykle jednu nebo dvě žíly propojovacího kabelu). Proto se především v průmyslové automatizaci využívá sériový způsob přenosu dat, který je méně nákladný. Synchronní a asynchronní přenos Pokud datový přenos vysílající stanice je posloupností jednotlivých bitů zasílaných dat, tak musí přijímající stanice rozeznat, který bit příjímací stanice právě přijímá a ve kterém časovém úseku má právě platnou hodnotu. Dále musí přijímající stanice rozeznat začátek a konec zasílaných dat. Začátek je obvykle signalizován předem daným znakem a konec svým obsahem. Tuto synchronizaci mezi dvěma stanicemi lze realizovat dvěma způsoby synchronním a asynchronním. Synchronní způsob využívá zvláštní přenosový kanál, který zasílá synchronizační pulsy. Tento puls pak udává ve kterém časovém úseku je na datovém kanálu platná hodnota bitu. Ve výsledku je pak na příjímací stanici datový tok pomocí pulsu synchronizován. Asynchronní způsob využívá parametrů, které nastaví přesnou délku trvání přenosu jednoho bitu a přidá do datového toku jednoznačně rozpoznatelné znaky, ze kterých přijímající stanice může odvodit přesnou časovou polohu a úsek platnosti jednotlivých bitů. Z výše uvedeného popisu lze poměrně snadno odvodit, že každý způsob má své plus a mínus. Ovšem v reálném světě se dává přednost asynchronnímu typu komunikace, jelikož přidání synchronního kanálu je nákladné, a proto se využívá pouze ve speciálních případech. 34

35 5.3 Profibus Průmyslová sběrnice Profibus vynalezená firmou Siemens je hojně využívána především v oblasti průmyslové (Profibus DP) a procesní (Profibus PA) automatizace, kde nachází široké uplatnění. V roce 1998 byl Profibus přijat jako evropský standard pod normou EN50170, což zaručuje její standardizaci. Jako průmyslová sběrnice prakticky dominuje v celé Evropě. Obrázek 5.1 Logo Profibus Zdroj: Vlastnosti Profibus můžeme nalézt ve čtyřech variantách topologie sítě: sběrnice strom hvězda kruh Nejčastěji využívanou topologií je sběrnice. Maximální přenosová rychlost sběrnice je limitovaná délkou a přenosovou technologií. Síť lze prodloužit pomocí opakovačů a na jednom segmentu mezi dvěma opakovači lze umístit až 30 stanic. Celkový počet stanic na jedné síti je pak maximálně 127. Profibus využívá hned tři typy přenosové technologie: Profibus-DP pro automatizaci výroby: přenosová rychlost až 12 Mb/s, linka RS-485 nebo optické vlákno, s určením pro rychlou výměnu relativně malých objemů dat; Profibus-FMS: přenosová rychlost do 500 kb/s, linka RS-485 nebo optické vlákno, s určením pro větší objemy dat v hierarchii řízení představuje úroveň nad Profibus-DP; Profibus-PA: konstantní přenosová rychlost 31,25 kb/s, fyzická vrstva podle IEC (napěťový režim, jiskrová bezpečnost) vhodný do EEx-ového (výbušného) prostředí. Volba přenosové technologie je závislá na prostředí, v němž je sběrnice provozována (rušení, nebezpečí výbuchu). 35

36 5.4 Modbus Modbus vynalezený v roce 1979 firmou Modicon patří mezi komunikační protokoly komunikujících na úrovni aplikační vrstvy ISO/OSI modelu. Umožňuje komunikaci typu klient-server (master-slave) v rámci různých druhů sítí, sběrnic a s různými zařízeními. V dnešní době podporuje celou řadu komunikačních protokolů jako například sériovou komunikaci (RS-232, RS-422, RS-485), Ethernet, optické či bezdrátové sítě apod. Funkční princip Funkční princip komunikace je na bázi požadavek / odpověď. Na sběrnici se nachází jedno zařízení definované jako master resp. klient (v případě Modbus TCP jich může býti více), které zasílá dotazy na ostatní zařízení definované jako slave resp. server). Zařízení definované jako slave poté odpovídá na přijaté dotazy, které jsou mu adresovány. Jako příklad lze uvést, že na pozici klienta je umístěn nějaký řídící prvek (PC, řídící automat apod.) a na pozici slave můžou být umístěny ovládané a sledované zařízení (senzory, I/O periferie, čerpadla, motory, ale i hierarchicky níže umístěné řídící automaty či PC). 5.5 DeviceNet DeviceNet, vynalezen firmou Allen Bradley (dnes spadající pod Rockwell Automation) je běžně využívaný otevřený síťový standard určený především do oblasti průmyslové automatizace pro komunikaci mezi průmyslovými systémy. V jedné síti lze umístit maximálně 64 stanic, které je možno za chodu připojit či odpojit. Přenosová rychlost je volitelná v rozsahu 125, 250 a 500kBd. DeviceNet je založen na technologii CAN od společnosti Bosch, která funguje na principu klient-server (master-slave) a umožňuje fragmentovat dlouhé bloky dat a detekovat duplicitní adresy stanic. Nyní je vlastněna a spravována organizací ODVA (Open DeviceNet Vendor Association). Používá se pro řízení na nejnižší úrovni (akční členy, senzory) 36

37 5.6 ControlNet ControlNet stejně jako DeviceNet byl vynalezen firmou Allen Bradley a také patří mezi otevřené síťové standardy pro komunikaci v oblasti průmyslové automatizace. Rozšiřuje funkce starších sítí DH+/RIO a DH485 společnosti Allen-Bradley, který zajišťuje deterministický, opakovatelný a uživatelem plánovaný přenos dat. Nyní je vlastněn a spravován organizací CI (ControlNet International) 37

38 6 Servery, databáze, komunikace s PC 6.1 Komunikace PC-PLC Komunikace mezi PC a PLC je nutná jak z důvodu operátorské kontroly a řízení procesů pomocí vizualizací, ale i pro přístup k procesním datům a jejich archivaci nebo předávání do managerských a plánovacích systémů (Enterprise Resource Plan ERP systémů). V některých průmyslových odvětvích (výroba léků, kosmetiky nebo potravin) je archivace a zpětná dohledatelnost informací o produktech samozřejmostí. Průmyslová automatizace je vysoce specializovaný, ale rozsáhlý obor. Není se tedy čemu divit, že jednotlivé technologie dodává velký počet výrobců automatizační techniky. Ačkoli v poslední době směřuje většina informačních systémů k větší standardizaci, je z historických i technologických důvodů většina automatizačních systémů od různých výrobců nekompatibilní. Se stále se zvětšující poptávkou po integraci a větší automatizaci technologických procesů je kladen větší tlak na komunikaci mezi jednotlivými systémy. Mezi nejznámější průmyslové komunikační protokoly patří např. Profibus, PROFINET IO, Controller area network - CAN, ControlNet, DeviceNet, EtherNet/IP, HART Protocol, Modbus aj. Jsou to protokoly většinou vyvinuté velkými dodavateli automatizace (např. EtherNet/IP vyvinutý fi. Rockwell Automation). Tyto protokoly jsou také určeny pro rozdílné účely (CAN sítě senzorů např. v automobilech, Profibus automatizace větších výrobních celků). Kvůli velkému počtu většinou různých protokolů vznikl požadavek na definování otevřeného standardu, který by vytvořil společné rozhraní pro komunikaci Microsoft Windows aplikací s automatizační technikou. Zastřešení komunikace s různými zařízeními je výhodné pro menší výrobce, protože mohou nabídnout levnější menší produkty, které jsou schopny spolupracovat s ostatními existujícími systémy. Malí výrobci by jinak vůbec neměli možnost proniknout do technologických celků, které by celé nedodávali nebo ke kterým by neměli vyvinutou komunikaci pomocí konkrétního protokolu. To by pak vedlo k postupnému uzavírání trhu a konzervaci zaběhlých postupů a technologií, protože velcí výrobci jako je SIEMENS nebo Rockwell by neměli motivaci vyvíjet otevřenější a univerzálnější systémy, jelikož technologické celky jsou schopni dodat celé sami za cenových podmínek, které si sami diktují. Malí výrobci mohou díky otevřeným 38

39 technologiím dodávat levnější software nebo např. uživatelsky přívětivější software, případně software určený pro jednoúčelové aplikace. Výhodnost umožnění komunikace se svými systémy pomocí standardního protokolu by mohlo být pro velké výrobce spornější. Otevřením svých systémů umožňují přístup dalších výrobců do svých původně monopolních systémů. Tlak zákazníků na standardizaci a cenu nabízených systémů ale už donutil většinu výrobců k používání otevřenějších technologií, čímž si zlepšují image a hlavně otevřenost systému může být konkurenční výhoda při rozhodování zákazníka při konkrétních zakázkách. Velké firmy navíc většinou mají v podobě svých zástupců v rozhodovacích komisích vliv na definování a následný vývoj otevřených technologií. 6.2 OPC OLE for Process Control (OPC), což znamená Object Linking and Embedding (OLE, v současnosti nazývaná pouze Automation) pro řízení procesů, je původní název pro soubor standardů publikovaných v roce 1996 k tomuto účelu vytvořenou pracovní skupinu zástupců největších dodavatelů automatizace. První standard specifikoval realtime přenos dat mezi řídicími prvky od různých výrobců a počítačem. Po vytvoření prvního standardu byla vytvořena nadace OPC Foundation, která se stará o udržování standardu a vytváření nových standardů, podle toho, jak vzniká potřeba. Nyní už je součástí souboru sedm standardů a další dva vznikají. První protokol byl později přejmenován na OPC Data Access (OPC DA), tedy přístup k datům. Podle současného stanoviska OPC Foundation už není OPC zkratka OLE for Process Control, ale název souboru standardů, protože pro přístup k datům už není třeba využívat výhradně OLE objektů. Členy nadace jsou velké společnosti jako Siemens, Rockwell Automation, Honeywell, Hitachi, ABB atd., ale i skupina spravující komunikační protokol Profibus, Microsoft nebo společnosti specializující se na OPC software jako např. Matrikon nebo Iconics. 39

40 6.2.1 Technologie Technologie OPC je založena na principu server klient (pro většinu protokolů). Server zajišťuje komunikaci se zařízením a klient nebo více klientů komunikuje pouze se serverem. Specifikace OPC používá technologii OLE, COM a DCOM, vyvinutých společností Microsoft, které umožňují publikování metod sdílených objektů pro operační systémy Microsoft Windows. Specifikace definovala soubor objektů, rozhraní a metod, aby tak umožnila interoperabilitu. OPC bylo vytvořeno pro zastřešení komunikace aplikací pro Microsoft Windows s různými automatizačními zařízeními. Standardy definují přesné metody pro přístup k datům poskytovaným zařízeními ve výrobě. Tyto metody zůstávají stejné pro všechny typy dat i pro všechny přístupy k různým zařízením. Cílem byla snížit pracnost vývoje komunikace mezi výrobními zařízeními a SCADA a HMI systémy. Poté, co vyvine výrobce zařízení OPC server pro nový hardware, mohou k hardwaru přistupovat vývojáři aplikací pro PC pomocí svých OPC klientů standardní cestou. Pokud by nebylo použito OPC, museli by vývojáři SCADA a HMI systémů nebo jiného SW vytvářet pro nový hardware nové komunikační rozhraní. Obrázek 6.1 Komunikace pomocí stávajících OPC standardů Zdroj: 40

41 6.2.2 Protokoly Je důležité zmínit, že jen některé ze specifikací OPC jsou publikovány, ostatní jsou přístupné pouze členům OPC Foundation. Takže zatímco žádná společnost nevlastní OPC a vyvinout OPC server může kdokoli, ať už jsou členy OPC Foundation nebo nejsou, nebudou ti, kteří nejsou členy, využívat nejnovější specifikace. Nejsou žádná omezení v tom, kdo může implementovat OPC, ale pouze OPC Foundation může poskytovat certifikát o shodě testovaných produktů se standardem OPC a o vyškolení systémových intergrátorů, kteří budou produkty nasazovat. Jednotlivé standardy se liší v účelu a způsobu komunikace. OPC DA Nejpoužívanější specifikací z rodiny OPC je OPC DA (Data Access, přístup k datům), která je používaná pro čtení a zápis real-time dat z a do PLC, DCS (Distributed Control System distribuovaný řídicí systém) a ostatních řídicích zařízení. Většina poskytovatelů komunikace přes OPC implementuje pouze OPC DA, ačkoli je pouze částí souboru specifikací OPC. V některých případech je také nesprávně používán pro OPC DA název OPC. V současné době je specifikace Data Access 3 ve fázi Release Candidate (kandidát na vydání). Zachovává vlastnosti předchozích verzí a zlepšuje prohlížení zařízení díky využití XML-DA (viz níže). OPC klient má možnost, díky DA, prohlížet zařízení, vybírat konkrétní místa v paměti PLC pro zápis a čtení nebo určovat, jak často se bude kontrolovat změna na dané adrese v paměti. K dispozici jsou dva módy čtení synchronní, kdy probíhá čtení dat z iniciativy klienta, a asynchronní, kdy je klient informován o změně hodnoty událostí. OPC Alarms & Events OPC Alarms & Events (alarmy a události) poskytuje oznámení o alarmech a událostech na vyžádání (oproti stálému toku dat u OPC DA). Události mohou být např. procesní alarmy, akce operátora, upozornění a informace pro sledování výrobků. OPC Batch OPC Batch (šarže, dávka) přináší výhody OPC pro potřeby šaržové výroby. Poskytuje rozhraní pro výměnu informací o schopnostech zařízení (korespondujících s 41

42 normou ANSI/ISA-88 pro řízení šaržové výroby) a o aktuálních provozních podmínkách. OPC Data exchange OPC Data exchange (výměna dat) se odchyluje od architektury server-klient k server-server architektuře s komunikací přes ethernetové průmyslové sítě. To pak umožňuje mezi-dodavatelskou interoperabilitu. Další vlastností je vzdálená konfigurace, diagnostika a monitorovací a konfigurační služby. OPC Historical Data Access Oproti OPC Data Access, které poskytuje přístup ke stále se měnícím real-time datům, umožňuje OPC Historical Data Access (přístup k historickým datům) poskytuje přístup už uloženým datům. To je možné využívat od jednoduchého ukládání dat po složité SCADA systémy a archivy dat. OPC Security Všechny OPC servery poskytují přístup k velkému množství cenných a citlivých dat pro společnost. Pokud by byla do zařízení zapsána chybná hodnota, mohlo by to mít rozsáhlé následky na výrobní proces. OPC Security (bezpečnost) specifikuje jak řídit přístup klientů k OPC serverům a chránit tak citlivá data proti neautorizované změně procesních parametrů. OPC XML-DA OPC XML-DA (extensible Markup Language Data Access, rozšířitelný značkovací jazyk) poskytuje flexibilní konzistentní pravidla a formáty pro zveřejnění procesních dat pomocí XML, díky čemuž je možno využít komunikačních technologií jako jsou SOAP a Web Services. OPC Complex Data OPC Complex Data (komplexní data) je přidružená specifikace k Data Access a XML-DA, která dovoluje serverům zveřejnění a popis komplikovanějších datových typů, jako jsou např. Binární struktury a XML dokumenty. 42

43 OPC Commands Byla ustavena pracovní skupina, která má za úkol vyvinout novou sadu rozhraní, které umožní OPC klientům a serverům rozpoznávání, odesílání a sledování řídicích příkazů, které jsou prováděny na zařízení. UA Jedním z připravovaných standardů je OPC Unified Architecture (UA). Je v současnosti už definován a testován. Může být implementován použitím více programovacích jazyků, protože nespoléhá na OLE objekty, jako předchozí verze OPC. OPC UA kombinuje funkcionality existujících OPC rozhraní s použitím novějších technologií, jako jsou XML a Web Services. To umožňuje snadnější spolupráci s ERP a MES systémy na vyšší úrovni. Obrázek Komunikace OPC Unified Architecture Zdroj: Datová úložiště pro průmyslovou automatizaci Stejně jako ve všech oborech informačních technologií i ve vyšších úrovních průmyslové automatizace je nutno vyřešit bezpečné, konzistentní a výkonné způsoby ukládání a práce s daty. V průmyslové automatizaci je podle typu a rozsahu konkrétní aplikace třeba ukládat např. historická data z výroby pro potřebu pozdější analýzy, data pro konfiguraci rozsáhlejších dynamicky generovaných vizualizačních prostředí, řídící posloupnosti a parametry výrobních systémů, konfigurační data jednotlivých softwarových prostředků i data do databází, pouze jako komunikační rozhraní pro nadřazené informační systémy jako jsou MES a ERP systémy. 43

44 6.3.1 Souborová úložiště Pro jednoduché aplikace, jako jsou konfigurační soubory, je možné používat nejzákladnější textové soubory s definovanou strukturou, které umožňují snadnou editaci a prohlížení pomocí běžně dostupných prostředků operačního systému. Takovými formáty mohou být INI soubory (INItialisation file, inicializační soubor, v dřívější době standardní konfigurační soubory Microsoft Windows, které organizují konfigurace podle sekcí a klíčů), CSV soubory (Comma Separated Values, hodnoty oddělené čárkou, které umožňují zadávání tabulkových dat), Microsoft Office Excel soubory (které ale na rozdíl od předchozích formátů vyžadují balíky kancelářského software) nebo např. XML soubory. Formát XML už umožňuje sofistikovanější práci s daty. Lze definovat, jaká data a jakých typů má dokument obsahovat pomocí DTD souborů (Document Type Definition, definice typu dokumentu) nebo modernějších XSD souborů (XML Schema Definition, definice schématu XML). Pro standardizovanou manipulaci s daty a vyhledávání v XML souborech slouží jazyk XPath (XML Path, cesta v XML), pro transformaci XML souborů podle dané šablony slouží jazyk XSLT (extensible Stylesheet Language Transformation, transformace rozšiřitelného jazyka stylopisu). Díky popularitě XML existuje mnoho nástrojů a editorů pro práci s XML a proto je vhodný např. i jako rozhraní mezi nesourodými systémy Databáze Složitější úlohy ale už vyžadují garantovanou datovou integritu, kontrolu přístupu k datům, souběžnou práci s daty atd. To zajišťují DBMS (DataBase Management System, systémy pro správu databází). Koncept DBMS vnikal v 60-tých letech 20 století, kdy byl poprvé definován, ale až v 70-tých a 80-tých letech dostačoval výpočetní výkon prvním implementacím obecným datovým úložišť. Univerzitní pracoviště a firmy jako IBM a Oracle postupně definovaly dnes používané technologie a principy. Mezi funkční požadavky na DBMS můžeme zařadit definování datového modelu, manipulaci s daty pomocí databázového jazyku a ochranu přístupu k datům. Provozní požadavky na DBMS jsou zejména dostupnost databáze (nízká doba prodlevy před vykonáním příkazů a automatická nebo administrátorská schopnost obnovy databáze z chybového stavu), výkonnost (relativně krátká doba odezvy na uživatelské požadavky), 44

45 izolovanost (možnost přístupu více uživatelů najednou k databázi) a zálohování o obnovení databáze (v případě poškození nebo stěhování dat). Datové modely umožňují uživateli definovat strukturu a typ dat, která bude databáze obsahovat. Nejznámější datové modely (v pořadí podle data jejich zveřejnění) jsou především hierarchický (stromová struktura dat), síťový (povoluje definování vazeb mezi jednotlivými větvemi stromu), relační (využívá definici s vztahů pomocí primárních a cizích klíčů), entitně-relační (E-R, v současnosti nejpoužívanější model, definuje objekty s vlastnostmi entity a vztahy mezi nimi relace), objektový (převzato z programovacích jazyků, definuje objekty, vlastnosti objektu a operace s objekty), objektově-relační (kombinace E-R a objektového modelu), atd. Databázové jazyky jsou vytvořeny speciálně pro to, aby umožnily definování databáze (struktury, typů a vztahů), manipulování s obsahem databáze a dotazování na data v ní obsažené a výpočty na základě těchto dat. Pro nejpoužívanější databázový model E-R je určen jazyk SQL (Structured Query Language, strukturovaný dotazovací jazyk). Jazyk SQL vyvinula firma IBM kolem roku 1970 a od té doby prošel mnoha úpravami (nejnovější verze existuje v podobě ISO (International Standard Organization) standardu z roku 2008). SQL dovoluje vytvářet strukturované skripty, které jazykový interpreter DBMS vyhodnotí ve výsledku jako dotazy, funkce nebo procedury. Různá rozšíření jazyku SQL umožňují používání transakcí (ucelených částí skriptů, které budou buď vykonány společně, nebo celé selžou) nebo práci s XML daty apod. Jazyk SQL existuje v několika mutacích každý z hlavních poskytovatelů DBMS má svou relativně málo, ale přesto nekompatibilní verzi SQL. Komponenty relačního DBMS jsou SQL stroj, který interpretuje příkazy v jazyku SQL (kompiluje, optimalizuje a provádí), transakční stroj (zajišťuje serializaci a ucelené provádění příkazů v transakci), relační stroj (vynucuje databázovou integritu hlídá cizí klíče, omezení na hodnoty a jedinečnost atd.) a ukládací stroj (spravuje datové soubory). Pro přístup k databázi jsou buď využívány ovladače pro jednotlivé typy databází a programovacích jazyků nebo obecná rozhraní pro přístup k databázím (jako jsou např. ODBC Open DataBase Connectivity, JDBC Java Database Connectivity), které zastřešují ovladače pro jednotlivé databáze. Nejčastěji používaným SQL serverem v automatizaci je pravděpodobně Microsoft SQL Server (např. SIEMENS Simatic WinCC, ICONICS Genesis), dříve byl hojně využíván systém Interbase fy. Bordland (např. SIMENS Braumat, SIEMENS Simatic WinCC). 45

46 Závěr Řídicí systémy jsou nedílnou součástí dnešního světa. Prakticky každý technologický proces, pokud má být řízen efektivně se bez využití řídicího systému neobejde. Oproti softwaru pro informační technologie programátor řídicích systémů nemusí být natolik vybaven znalostí složitých programovacích jazyků, jelikož programovací jazyky jsou jednoduché, a vycházející nejzákladnějších principů logiky a algoritmizace. Ovšem aby programátor mohl fungovat, musí mít veliký rozsah zkušeností a znalosti alespoň základní principů technologických procesů. Dále znalosti elektroniky z důvodu pochopení funkčních principů zapojení technologického procesu (princip funkčnosti senzorů, motorů apod.), pneumatiky a hydrauliky, kde především pneumatika je dnes běžnou součástí téměř každého výrobního procesu. Ovšem nejen hardwarové požadavky a zkušenosti jsou tolik důležité, ale i dnes i ty softwarové. Aby programátor mohl připravovat operátorské řízení, které je nedílnou součástí řídicích systémů, tak musí být trochu i IT specialista. Pro komunikaci s nějakým architektonicky vyšším zařízením jako je PC vybavené vizualizačním SW, databází, či nějakým komunikačním serverem, musí znát poměrně rozsáhlou oblast IT, aby věděl, na jakém principu tyto programy fungují, a podle toho připravil veškeré kroky, které budou třeba. Stejně jako IT, tak i řídicí systémy mají před sebou ještě velikou budoucnost a ještě dlouho potrvá, než budou nahrazeny jinými universálními systémy, které se dnes již ve světě IT využívají. 46

47 Seznam použité literatury Elektronické zdroje: Programovací SW Simatic Manager v5.4 SP5 od společnosti Siemens Nápověda Programovací SW RSLogix ver.17 od společnosti Rockwell Automation Nápověda Programovací SW VisiLogic od společnosti Unitronics Nápověda Tištěná literatura: PLC a automatizace 1 : Ladislav Šmejkal a Marie Martinásková, vydalo nakladatelství BEN technická literatura, Praha 2009, 4. dotisk, 1. vydání PLC a automatizace 2 : Ladislav Šmejkal, vydalo nakladatelství BEN technická literatura, Praha 2009, 1. dotisk, 1. vydání Elektronika - sešit ze střední školy: Michal Zátka 47

48 Seznam obrázků, diagramů a tabulek Seznam obrázků Obrázek Architektura automatizačních systémů... 9 Obrázek Bloková struktura PLC Obrázek 3.2 Simatic Logo Obrázek 3.3 Unitronics V Obrázek 3.4 Modulární systém Simatic S7 řady Obrázek Cyklické vykonávání programu Obrázek 4.1 Historické dispečerské pracoviště (Elektrárna Rioni Gruzie) Obrázek 4.2 Novodobé dispečerské pracoviště (Becherovka a.s. ČR) Obrázek 4.3 HMI panel Obrázek 4.4 SCADA panel Obrázek 5.1 Logo Profibus Obrázek 6.1 Komunikace pomocí stávajících OPC standardů Obrázek Komunikace OPC Unified Architecture Seznam tabulek Tabulka 3.1 Základní operace Booelovo algebry Tabulka 3.2 Zákony Booelovo algebry Tabulka 3.3 Přehled datových typů Tabulka 3.4 Příklad pro datovou strukturu

49 Přílohy 1. Ukázka technologického procesu zdroj: Seminární práce VKS_Daikin_GBx určená pro předmět Techniky a metody modelování požadavků z letního semestru 2010 autor Michal Zátka 2. Ukázka programovacího jazyka Ladder 3. Ukázka programovacího jazyka Structure Text 49

50 Příloha č. 1 Ukázka technologického procesu Název projektu: VKS_Daikin_GBx (Výrobní a kontrolní systém Daikin GBx) Číslo přípravku: AP 016 Výrobní číslo: Rok výroby: 2010 Vedoucí projektu: František Slepička Zodpovědná osoba za oddělení automatizace: Michal Zátka Zodpovědná osoba za oddělení výroby: Jaroslav Vopička Verze dokumentu:

51 1 Schéma projektu Obrázek 6.1 Lis DEMAG Pn Manipulator Ochranná klec 1 Pásový dopravník Operátorské pracoviště 1 Operátorské pracoviště 2 Ochranná klec 2 Kamera Visio 1 Kamera Visio 2 Zakládací pozice na pásovém dopravníku Zdroj: vlastní úprava 51 Kladičkový dopravník Police na NOK kus Bedna na OK kusy Pn-Hy Manipulator

52 2 Zadání Pro dceřinou společnost japonské společnosti Daikin Daikin Europe NV budou dodávány dva typy výrobků DKNEU-GB17 a DKNEU-GB32. Celý technologický postup bude rozdělen do tří sekvencí lisování, montáž a kontrola a třídění. 2.1 Lisování Za pomocí vstřikovacího lisu DEMAG s uzavíratelnou silou 1350 tun (13500kN) budou lisovány dva typy výrobků s pracovním označením GBM (DKNEU-GB17) a GBS (DKNEU-GB32) s frekvencí 1ks za 90seknud. Po vylisování výrobku a po otevření formy bude výrobek uchycen pneumatickým manipulátorem a dopraven na pásový dopravník. Ten po odjetí manipulátoru transportuje výrobek o jednu pozici tak, aby mohl manipulátor při dalším dokončeném cyklu opět umístit výrobek na dopravník. Obrázek 2.1 Zdroj: vlastní úprava 52

53 2.2 Montáž Po transportování výrobku pásovým dopravníkem z ochranné klece, která bude z důvodu bezpečnosti umístěna kolem pracovního prostoru manipulátoru, operátor odebere výrobek. Nejprve odstraní vtoky vzniklé při vstřikování plastu do formy a následně vizuálně zkontroluje celý výrobek. Poté bude možno zasadit výrobek do formy, kde bude nutno v závislosti na vyráběném typu výrobek osadit požadovanými komponenty: GBM GBS Plech Šroub držící plech Koberec Molitan Molitan středový Molitan malý Molitan velký Tuto montáž zajistí jeden (v případě GBS) nebo dva operátoři (v případě GBM), kteří po dokončení montáže umístí výrobek na kladičkový dopravník, který je umístěný za druhým operátorským pracovištěm. Obrázek 2.2 Zdroj: vlastní úprava 53

54 2.3 Kontrola a třídění na OK / NOK Po založení výrobku na kladičkový dopravník, který je vybaven postraními lineárními podavači bude výrobek transportován na místo optické kontroly. Na dopravník bude možnost založit více výrobků, které se budou řadit do fronty před místem optické kontroly. Kontrolu provedou dvě průmyslové kamery, které vyhodnotí přítomnost a správné osazení prvků od operátora (operátorů). Po provedení optické kontroly bude výrobek uchycen pneumaticko-hydraulickým manipulátorem, který v případě výsledku OK z optické kontroly umístí výrobek do krabice pro dobré kusy a v případě výsledků NOK umístí výrobek na polici pro špatný kus. Operátor bude po deseti správných kusech nebo po odložení špatného kusu upozorněn, že je potřeba vyměnit box, či odebrat výrobek z police pro špatný kus. V případě, že je nějaký výrobek vyhodnocen jako NOK a umístěn na polici pro špatné kusy, tak se na PLC (řídicím systému) s integrovaným HMI displejem automaticky zobrazí důvod, proč byl výrobek takto vyhodnocen. Obrázek 2.3 Zdroj: vlastní úprava 54

55 2.4 Podmínky Pneumatický manipulátor nesmí odebrat výrobek z formy lisu dříve, než bude volná odkládací pozice na pásovém dopravníku u lisu. Pásový dopravník se nesmí rozjet, pokud není výrobek odebrán operátorem. Pneumaticko-hydraulický manipulátor se nesmí rozjet, pokud je výrobek vyhodnocen jako dobrý a je aktivována výzva bedna s OK kusy je plná. Výzva bude deaktivována po výměně krabice operátorem a následným stisknutím tlačítka Krabice s OK kusy vyměněna. Pneumaticko-hydraulický manipulátor se nesmí rozjet, pokud je výrobek vyhodnocen jako špatný a je aktivována výzva NOK kus. Výzva bude deaktivována po odebrání výrobku operátorem a následným stisknutím tlačítka NOK výrobek odebrán. 2.5 Bezpečnostní prvky Celý výrobní systém bude z důvodu bezpečnosti vybaven následujícími prvky, které v případě aktivace budou blokovat jednotlivé systémy: Tlačítka CENTRAL STOP: zablokuje celý výrobní systém Magnetický kontakt na dveřích ochranné klece 1: při rozepnutí se zablokuje lis DEMAG, Pn Manipulátor a pásový dopravník Magnetický kontakt na dveřích ochranné klece 2: při rozepnutí se zablokuje kladičkový dopravník, Pn-Hy Manipulátor Všechny výše uvedené body mají nejvyšší prioritu nad všemi funkcemi výrobního systému. Blokace bude zajištěna pomocí HW komponent (tj. integrovaným bezpečnostním systémem v lisu DEMAG a čtyřmi bezpečnostními relé pro dopravníky a manipulátory, které v případě aktivace některého bezpečnostního prvku automaticky odpojí systém od přívodu elektrické energie. 55

56 3 Hierarchie systémů Ze zadání projektu je již patrné, že zde bude 6 systémů s vlastním OS: PLC (řídící systém) Lis DEMAG Pneumatický manipulátor Pneumaticko-hydraulický manipulátor Kamera Visio 1 Kamera Visio 2 Obrázek 3.1 Zdroj: vlastní úprava Z obrázku lze odvodit, že jsou zde dva dominantní systémy tj. Lis Demag a PLC, které mají pod sebou podřízené systémy. Každý podřízený systém má tu vlastnost, že v případě zastavení, vypnutí nebo poruchy svého dominantního systému se musí systém automaticky zablokovat a nesmí samostatně vykonávat žádné operace. 56

57 4 Komunikace mezi jednotlivými systémy Všechny systémy využívané v technologickém procesu jsou vzájemně propojeny tak, aby celý systém mohl vykonávat požadované funkce (viz Obrázek 4.1). Obrázek 4.1 Zdroj: vlastní úprava Z obrázku lze vidět, jaké jsou vazby mezi jednotlivými systémy. Technolog <=> PLC, Lis Demag: PLC a Lis DEMAG budou v rámci standardního provozu podřízeny technologovy, který v případě rozjíždění či ukončování výroby bude tyto dva systémy ovládat a nastavovat. Všechny ostatní systémy již budou aktivovány automaticky, a tudíž nebude zásah technologa vyžadován. Jelikož mají technologovo příkazy nejvyšší prioritu, tak PLC a Lis DEMAG jsou primárně závislý právě na technologovy. Lis DEMAG <=> PLC: během výroby bude mezi lisem a PLC probíhat komunikace pomocí signálních kabelů na bitové úrovni. Jak již bylo zmíněno v minulém bodu, tak lis DEMAG i PLC jsou primárně závislé na příkazech technologa a teprve v případě, že to není v rozporu s jeho příkazy, tak na signálech mezi sebou. 57

58 Pn Manipulátor <=> Lis DEMAG: tyto dva systémy budou mezi sebou komunikovat pomocí komunikačního protokolu Profibus. Ačkoliv je Lis DEMAG nadřazeným systémem Pn manipulátoru, tak během výroby existuje přímá závislost na obou stranách těchto dvou systémů. PLC <=> Pn-Hy Manipulátor, Kamera Visio 1 a 2: PLC a jeho podřízené systémy budou mezi sebou komunikovat pomocí Profibus komunikace. Ačkoliv je PLC nadřazeným systémem, tak během výroby existuje přímá závislost na obou stranách těchto systémů. Operátor <=> Lis DEMAG, PLC: závislost operátora na lisu a PLC spočívá v tom, že se musí přizpůsobit výrobnímu taktu celého výrobního systému. V případě, že operátor bude příliš pomalu odebírat vylisované výrobky z pásového dopravníku, tak bude vznikat fronta. Pokud bude prostor na zakládací pozici obsazen jiným výrobkem, tak PLC nedá povolení lisu, že Pn Manipulátor může odebrat výrobek a tím se lis po 90 vteřinách nečinnosti automaticky přepne do STOP režimu. 58

59 5 Lis DEMAG Po odstartování výroby technologem nebo po oznámení od Pn-Manipulátoru, že se výrobek vzdálil z jeho pracovního prostoru a nebyl vyroben poslední kus, započne lis DEMAG s výrobou nového výrobku. Po vylisování se lis zeptá PLC, jestli je zakládací pozice na pásovém dopravníku prázdná a čeká na kladnou odpověď. Zároveň lis začíná odpočítávat 90 sekund, po jejichž odpočítání se lis automaticky přepne do STOP režimu. Po vyhodnocení od PLC, že je zakládací pozice prázdná pošle lis zprávu Pn Manipulátoru, že může odebrat výrobek a čeká na zpětnou vazbu. Po získání signálu, že výrobek byl odebrán a Pn Manipulátor se vzdálil z jeho pracovního prostoru, vynuluje odpočet a proces začíná od začátku. Obrázek 5.1 Zdroj: vlastní úprava 59

60 6 Pn Manipulátor Po přijetí signálu od Lisu DEMAG, Manipulátor odeber výrobek a započne transport na pásový dopravník. Po odjetí z pracovního prostoru lisu, dá Pn Manipulátor lisu zprávu o bezpečném vzdálení, aby lis mohl započít s lisováním nového výrobku. Pn Manipulátor pokračuje v transportu a následně v založení na pásový dopravník. Obrázek 6.1 Zdroj: vlastní úprava 60

61 7 PLC 7.1 Nastavení Každá osoba, která chce ovládat PLC se musí nejprve přihlásit. Poté bude teprve možno nastavit typ výrobku a spustit výrobu. Jak je z níže uvedeného diagramu patrné, tak osoba, která se bude přihlašovat do systému muže být technolog nebo operátor. Osob, které se mohou přihlásit do systému, může být libovolný počet, ale v systému může být přihlášena maximálně jedna osoba. Každý kdo se přihlašuje do systému má přidělené uživatelské jméno, heslo a roli. Dále je z diagramu patrné, že bude nutno se do systému přihlásit, aby bylo možno vybrat typ výrobku který se bude vyrábět. Vždy musí být vybrán jeden výrobek ze dvou možných (tj GBM, GBS). V závislosti na vybraném typu bude probíhat výroba, která je stejně jako výběr typu závislá na přihlášení do systému. Obrázek 7.1 Zdroj: vlastní úprava 61

62 7.2 Pásový dopravník Pokud PLC získá signál od světelné závory 1, že na zakládací pozici pásového dopravníku byl založen výrobek, tak započne s odpočtem 10 vteřin. Po 10 vteřinách PLC za pomocí světelné závory 2 zjistí, zdali je obsazena poslední pozice na pásovém dopravníku před operátorským pracovištěm. Pokud je pozice obsazena, tak PLC čeká na odebrání výrobku. Pokud není poslední pozice obsazena nebo po odebrání výrobku PLC aktivuje transport a posune výrobek o jednu pozici směrem k operátorskému pracovišti. Obrázek 7.2 Zdroj: vlastní úprava 62

63 7.3 Kladičkový dopravník Po založení výrobku operátorem na zakládací pozici kladičkového dopravníku nebo po odebrání výrobku z pozice optické kontroly Pn-Hy Manipulátorem PLC započne s odpočítáváním 3 vteřinového limitu. Po odečtení času PLC spustí 10 vteřinovou sekvenci transportu. Výrobek se po dojetí na pozici optické kontroly zarazí o zarážky a tím se zastaví. Po dokončení transportu bude PLC opět čekat na signál. Obrázek 7.3 Zdroj: vlastní úprava 63

64 7.4 Optická kontrola a následný transport výrobku Pokud PLC pomocí světelné závory 4 zaznamená, že je obsazeno pracoviště optické kontroly, tak započne s odečítáním 3 sekundového limitu. Po odečtení času dá PLC nezávisle na sobě signál kamerám, aby započaly s kontrolou výrobku, a následně vyčkává na odpověď obou kamer. Po získání zpráv od obou kamer PLC vyhodnotí, jestli je výrobek OK nebo NOK a zašle signál Pn-Hy Manipulátoru, že může odebrat výrobek, a jak byl výrobek vyhodnocen. Obrázek 7.4 Zdroj: vlastní úprava 64

65 8 Kamera Visio 1 Po přijetí signálu od PLC Zkontroluj výrobek a současně zasláním signálu o jaký výrobek se jedná, kamera spustí optickou kontrolu. V závislosti na kontrolovaném typu výrobku provede kamera sekvenci kontrol jednotlivých komponent. Systém vždy vyhodnotí danou komponentu a následně začne kontrolovat další. Po vyhodnocení všech komponent pro daný typ, kamera odešle zprávu o kontrolovaném výrobku zpět PLC. Obrázek 8.1 Zdroj: vlastní úprava 65

66 9 Kamera Visio 2 Po přijetí signálu od PLC Zkontroluj výrobek a současně zasláním signálu o jaký výrobek se jedná, kamera spustí optickou kontrolu. V závislosti na kontrolovaném typu výrobku provede kamera sekvenci kontrol jednotlivých komponent. Systém vždy vyhodnotí danou komponentu a následně začne kontrolovat další. Po vyhodnocení všech komponent pro daný typ, kamera odešle zprávu o kontrolovaném výrobku zpět PLC. Obrázek 9.1 Zdroj: vlastní úprava 66

67 10 Pn-Hy Manipulátor Po přijetí signálu od PLC Odeber výrobek a současně s přijetím informace o stavu výrobku (OK/NOK) Pn-Hy Manipulátor uchopí výrobek a v závislosti na vyhodnocení se zeptá PLC, jestli je krabice (jedná-li se o dobrý kus) případně police (jedná-li se o špatný kus) plná. Pokud je plná, tak se Manipulátor bude ptát do doby, než bude vyhodnocení, že plná není. Pokud plná není, nebo po potvrzení hlášky, Pn-Hy Manipulátor transportuje výrobek na požadované místo. Obrázek 10.1 Zdroj: vlastní úprava 67