PLC Usage in Modern Lectures of Technology Control

Transkript

1 Automatizace, počítačová simulace, výpočetní metody Hutnické listy č.1/2012, roč. LXV Automation Control, Computer Simulation, Computing Methods ISSN Využití PLC v moderní výuce řízení technologií PLC Usage in Modern Lectures of Technology Control Ing. Ivo Špička, Ph.D., doc. Ing. Milan Heger, CSc., Ing. Robert Frischer, Ing. Ondřej Zimný, Ph.D., Bc. Roman Meca, Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava, Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství Autoři si kladou za cíl vymezit možnosti využití PLC - programmable logic controllers v oblasti výuky programování řídicích systémů, prvků řídicích systémů a navazujících předmětů. Místo ve výuce je dáno tím, že PLC slouží jak pro jednoduché autonomní řízení jednotlivých technologických uzlů, ve kterých se mohou uplatnit jednoduché kompaktní systémy, tak i pro řízení obsáhlých technologických celků se složitými distribuovanými hierarchickými řídicími systémy společně s monitorováním a sběrem dat. Dále hodlají uvést možnosti využití PLC v rámci vývoje a výzkumu řídících algoritmů pro technologie jinak obtížně využitelné pro přímé experimentování v provoze nebo poloprovoze. Sestavy PLC, průmyslových regulátorů, OPC serverů a SCADA a HMI systémů umožňují vytvářet nejen celé struktury řídících a monitorovacích systémů, ale také modely reálných technologií. Technickými prostředky PLC jsou vytvořeny funkční bloky, které simulují chod základních technologických uzlů. Autoři zde ukazují na možnosti spojení PLC s ostatními moderními simulačními a vizualizačními prostředky včetně využití virtualizace a tvorby simulátorů technologických zařízení. Pro dynamické systémy, například tepelné soustavy, nádrže, části manipulátorů apod. je výhodné provádět modelování těchto systémů v prostředí MATLAB - SIMULINK, jakožto renomovaného nástroje pro simulaci dynamických systémů. Vlastní propojení s PLC systémy je uskutečněno pomocí OPC serveru, který s PLC komunikuje pomocí firemního protokolu a přenos dat s MATLABEM je zajištěn využitím DDE. Authors want to determine the usage area of PLC - Programmable Logic Controllers, in terms of education of programming controlling systems, elements of control systems and corresponding subjects. We are going to show possibilities of PLC usage in the area of development and at control algorithm research, especially for technologies that are very difficult to use for direct experiments in real plants. We would like to focus on connection of PLC with other modern simulation and visualization systems, including usage of virtualization and simulators of creation of technological devices. PLC is used as for the simple autonomous control of the different technological nodes, in which simple compact systems can be applied both for the control of large technological complexes using distributed control systems together with the monitoring, and for collecting the data. Knowledge of PLCs, their construction, programming and applications is very useful for students of study program Economics and management of industrial systems. The teaching of programming of control systems is aimed in particular on the of areas hardware I/O signals, basic programming in accordance with IEC , realization of the regulatory and control algorithms, formulation of the objectives of control and algorithm of controlling processes using behavior model expressed by Petri network and its expression in a program written in the language of GRAFCET type. More complex tasks are distributed and hierarchical systems, communication abilities of PLC, industrial buses, visualization systems and binding of PLC to a higher level of control systems. Internet technology on servers and SCADA and HMI systems allow creation of models of real technologies. Dynamic systems, for example heat system, tanks, parts of manipulators are modelled in the system MATLAB Simulink, which appears to be the most appropriate instrument for simulation of dynamic systems. The linking with the PLC systems uses OPC server communicating with exploring corporate communication protocol for PLC communication, and linking to the MATLAB system is based on DDE connection. The laboratory will be progressively extended by models of selected technological equipment not only from the area of metallurgy and steel industry. An example of a new project may be a model of the continuous zones reheating furnace. An appropriate instrument for the testing of complex control structures is virtual machine. On one standard PC several autonomous operating systems can run in parallel, including virtual networks, which allows comfortable testing also of distributed systems and detection of problems with the network communication and the sync transfers and distributed processes synchronization. It is available for few products: VirtualPC, VirtualBox, VMware, parallel server and workstation, and so on. Modern PLC systems are mostly equipped with web servers enabling within this systems to define and to start Internet application, which is then available through standard IP address. In the framework of the application it is possible to connect PLC to the router and to the public network via internet from any place, and thus to monitor the selected parameters of PLC. 24

2 Hutnické listy č.1/2012, roč. LXV ISSN Automatizace, počítačová simulace, výpočetní metody Automation Control, Computer Simulation, Computing Methods Úvod Výuka řídicích systémů je vedena s velkým důrazem na teoretickou stránku řešení a na programový návrh řídicích algoritmů. Jsou používány obecné programovací jazyky, které jsou sice vhodné pro syntézu úloh v oblasti řízení, nicméně nemohou pokrýt zcela jisté specifické vlastnosti programování moderních řídicích systémů, které jsou ve velké míře zastoupeny programovatelnými automaty jak v úlohách sekvenčního řízení, tak i v úlohách regulačního charakteru. Z těchto důvodů jsme se na Katedře automatizace a počítačové techniky v metalurgii rozhodli rozšířit výuku ve směru k oblasti programovatelných logických automatů (PLC). PLC ve výuce Našim cílem bylo vytvořit podmínky pro využití a vývoj vhodných didaktických nástrojů použitelných v širokém spektru předmětů, které zahrnují úlohy automatizace. Neustále se zvyšující podíl automatizace v průmyslu a nutnost rychlých inovací vede i ke stále širšímu využití programovatelných logických automatů (Programmable Logic Computers - PLC). Název PLC dnes již zdaleka nevystihuje možnosti této třídy automatizační techniky. Nástroje, které PLC poskytují, umožňují řešit nejen logické řízení, jak by vyplývalo z jejich názvu, ale v podstatě umožňují řešit úlohy pokrývající téměř celou oblast automatizace, od logického řízení po složité regulace a řízení celých technologických celků. PLC slouží jak pro jednoduché autonomní řízení jednotlivých technologických uzlů, ve kterých se mohou uplatnit jednoduché kompaktní systémy, tak i pro řízení obsáhlých technologických celků složitými distribuovanými hierarchickými řídicími systémy společně s monitorováním a sběrem dat. Jinými slovy programovatelné logické automaty a vizualizační systémy jsou nejčastěji využívané prostředky v současné automatizační technice. Znalost PLC, jejich konstrukce, programování a způsoby nasazení, jsou pro studenty studijního programu Ekonomika a řízení průmyslových systémů velmi potřebná. Dosažené cíle Na základě stávajících a plánovaných automatizačních systémů se podařilo vybudovat základ moderní výukové laboratoře, která je vhodná pro výuku programování řídicích systémů v obecném i užším slova smyslu. Důraz je zde kladen na využití logických programovatelných automatů a SCADA a HMI systémů. Studenti se mají možnost seznámit: s technickou stránkou programovatelných automatů, s metodikou analýzy řízení a syntézou řízení - tvorbou programu, s použitím standardizační normy pro programování PLC, s vizualizačními systémy pro tvorbu uživatelských rozhraní řízeného procesu. Ve spolupráci s českým zastoupením nadnárodní firmy Rockwell Automation, která projevila zájem o spolupráci s naší Katedrou automatizace a počítačové techniky v metalurgii, jako garantem předmětů průmyslové automatizace na fakultě FMMI VŠB-TU Ostrava, vybrali sestavu vhodných technických prostředků. Jednalo se o programovatelné automaty v několika konfiguracích. Konkrétně se učebna vybavila automaty Allen Bradley - ControlLogix v redundantní sestavě s průřezem nejdůležitějších vstupně výstupních karet a vybavené Ethernet IP a Device Net komunikací a dále sestavami šesti kusů PLC CompaktLogix umožňujícími vytvoření jednoduchých i složitějších distribuovaných aplikací s PLC automaty. Tyto sestavy tvoří základ moderní učebny programovatelných automatů. Všechny sestavy jsou dále doplněny průmyslovými terminály PanelView. Součástí sestav automatů CompactLogix jsou i frekvenční měniče PowerFlex 40, které umožňující demonstrovat moderní řízení elektrických asynchronních pohonů. Výše zmíněné sestavy programovatelných automatů rozšiřují možnosti využití i stávajících automatizačních prostředků katedry, zejména průmyslových regulátorů TECOREG a řídicích systémů TECOMAT, automatizačních prostředků fy. AMIT a vizualizačních nástrojů Control Panel fy. Moravské přístroje a. s. Možnosti systému Tyto prostředky umožňují směřovat výuku programování řídicích systémů zejména do následujících oblastí: Programovatelné automaty, hardware, vstupně výstupní signály. Programovatelné automaty, základy programování dle normy IEC , textové a grafické jazyky. Návrh a vývoj programového vybavení. Běh programu, programování logických funkcí. Funkce, funkční bloky, práce s analogovými signály. Realizace regulačních algoritmů. Syntéza: zápis řídicích algoritmů, formulace cílů řízení, algoritmizace řídicího problému. Modelování chování pomocí Petriho sítí a souvislost s jazyky typu GRAFCET. Distribuované a hierarchické systémy: komunikační možnosti programovatelných automatů, průmyslové sběrnice. Vizualizační systémy pro řízení. Vazba programovatelných automatů s vyššími systémy řízení. Zásady návrhu dialogu obsluhy s počítačovým řídicím systémem. Struktura návrhu obrazovek. Komunikace mezi PC a PLC. Operátorské panely. Internetové technologie. 25

3 Automatizace, počítačová simulace, výpočetní metody Hutnické listy č.1/2012, roč. LXV Automation Control, Computer Simulation, Computing Methods ISSN Obr. 1 Konfigurace ControlLogix a CompactLogix PLC Fig. 1 Configuration of ControlLogix and CompactLogix PLCs Ukázkový projekt ovládání asynchronního elektrického motoru Příkladem využití zmiňované techniky může být ukázkový projekt ovládání asynchronního motoru, který bude tvořit jeden z vyvíjených výukových modulů. Využívá automatizační prostředky CompactLogix, PanelView, Point I/O a PowerFlex fy. Allen Bradley. Všechna zařízení podporují technologii EtherNet/IP. Tím je umožněna jednoduchá komunikace přes rozhraní ethernet a běžně dostupný síťový kabel s konektory RJ45. Řídicí systém CompactLogix je svými parametry předurčen pro automatizaci menších až středně velkých aplikací (systémů). Jednotka CompactLogix 1769-L32E disponuje uživatelskou pamětí 750 kb, dvěma komunikačními kanály a možností připojení až šestnácti vstupních nebo výstupních lokálních modulů. Jeden komunikační kanál je zastoupen komunikačním portem RS232, druhý pak portem rozhraní Ethernet 10/100Mbps. Automat je vybaven dvěma jednotkami digitálních vstupů 1769-IQ16, dvěma jednotkami digitálních výstupů 1769-OB16 a analogovým modulem se čtyřmi vstupy a dvěma individuálně izolovanými výstupy 1769-IF4XOF2. Na obr. 2. je vyobrazeno kompletní pracoviště pro ovládání asynchronního elektrického motoru včetně zobrazovacího panelu a síťové infrastruktury, pomocí které systém komunikuje s okolím. Obr. 2 Panel ovládání asynchronního elektrického motoru Fig. 2 Control panel for control of asynchronous electric drive PowerFlex je označení pro širokou škálu frekvenčních měničů Allen Bradley. Jednotka, kterou máme k dispozici, nese označení PowerFlex 40, čelní panel je osazen ovládacím panelem s LED displejem. Zařízení má v sobě zabudovanou ochranu motoru. RSLogix 5000 je vývojové prostředí, které slouží k vytváření řídících programů nejen pro systémy ControlLogix a CompactLogix společnosti Allen Bradley. V našem případě máme k dispozici softwarovou modifikaci RSLogix 5000 Professional/Network Edition V (CPR 9). Na obr. 3 je uveden operátorský panel se spuštěnou aplikací pro ovládání měniče. Řešení představuje celkovou sestavu použitého PLC společně s nutnými instalacemi jištění a s napájecími zdroji. Obr. 3. Operátorský panel. 26

4 Hutnické listy č.1/2012, roč. LXV ISSN Automatizace, počítačová simulace, výpočetní metody Automation Control, Computer Simulation, Computing Methods Vývoj řídících algoritmů Použité sestavy PLC, průmyslových regulátorů, OPC serverů a SCADA a HMI systémů umožňují vytvářet modely reálných technologií na jedné straně a celé struktury řídícího a monitorovacího systému na straně druhé. Proto není třeba vybavovat laboratoře drahými a rozměrnými fyzickými modely průmyslových technologií. V rámci PLC jsou vytvořeny funkční bloky, které simulují chod základních technologických uzlů, které můžeme v principu rozdělit na dvě skupiny: Zařízení se sekvenčním řízením. Dynamické systémy jedno a vícerozměrné. části je místo pro zobrazení pop-up okna, které je vyvoláno v případě, že nastane důvod pro zobrazení informace o havarijním stavu, či upozornění. Dotykem na obrazovku v místě zobrazení jednotlivých prvků technologie se dostaneme do obrazovky detailu daného zařízení. Obr. 3 Technologické schéma zauhlovací linky Fig. 3 The technological scheme of a coaling line Po výuku byl realizován model řízení zauhlovací linky, kdy automat CompactLogix sloužil pro simulaci technologie zauhlovací linky a automat ControlLogix v redundantní sestavě jako řídicí systém. Návrh modelu je veden snahou o co možná největší přiblížení reálnému chování technologie. Model simuluje chování zauhlovací linky skládající se z dopravníkových pásů, rozdělovací klapky, pluhů, drtiče paliva a zásobníků paliva. (obr. 4). Obr. 5 Hlavní obrazovka operátorského panelu zauhlovací linky Fig. 5 The main screen of the coaling line control panel Detailní obrazovka analogových měření Detailní obrazovky jsou vyvolány dotykem v místě daného měření na hlavní obrazovce. Na detailní obrazovce jsou zobrazeny veškeré stavy daného zařízení. Jsou zde zobrazeny informace o aktuálních hodnotách přepočtené hodnoty měření, aktuální hodnoty signálu na vstupním modulu, alarmové stavy měření a aktuálně nastavené meze pro vyhodnocení alarmových stavů. Z detailní obrazovky je možné simulovat hodnoty vstupů, nastavovat meze pro vyhodnocení alarmových stavů a vyvolat obrazovku aktuálního trendu. Příklad detailní obrazovky je ukázán na obr. 5. Obr. 4 Technologické schéma zauhlovací linky Fig. 4 Technological scheme of the coaling line Hlavní obrazovka Hlavní obrazovka slouží především jako hlavní informační plocha pro operátora. Na obrazovce se nachází zjednodušený nákres technologie, kde jsou zobrazeny všechny důležité stavy technologie. V horní části obrazovky jsou zobrazeny údaje o aktuálním čase, datu a přihlášeném uživateli. Ve spodní 27 Sekvenční systémy Zařízením sekvenčního charakteru zde budeme rozumět jedno a dvousměrné pohony vybavené variantně koncovými a momentovými spínači, snímačem natočení nebo otáček včetně standardního silnoproudého ovládání a signalizace. Tyto moduly jsou tedy vybaveny: Vstupy modulu o Přepnutí ruční automatické ovládání. o Ruční ovládání otevírej a zavírej. o Havarijní vypnutí. o Ochranný stop bezpečnostní čidlo pohybu nebo přítomnosti. o Automatické ovládání otevírej a zavírej. Výstupy modulu o Systém pod napětím. o Tepelná ochrana. o Ruční ovládání. o Havarijní vypnutí. o Stop.

5 Automatizace, počítačová simulace, výpočetní metody Hutnické listy č.1/2012, roč. LXV Automation Control, Computer Simulation, Computing Methods ISSN Dynamické systémy Pro dynamické systémy se setrvačnostmi, například tepelné soustavy, nádrže, části manipulátorů jsme odzkoušeli modelování těchto zařízení v systému MATLAB SIMULINK, který se nám jeví jako nejvhodnější nástroj pro simulaci dynamických systémů. Vlastní propojení s PLC systémy je uskutečněno pomocí příslušného OPC serveru, který s automatem komunikuje pomocí firemního protokolu a s MATLABEM pomocí DDE spojení. Jedinou komplikací je v tomto případě nutnost definice komunikačního rozhraní hned na třech místech v PLC systému, v OPC serveru, kde je uveden odkaz na fyzické proměnné v PLC a v MATLABu, kde je nutno nakonfigurovat moduly pro komunikaci s OPC serverem. Na obr. 6 uvádíme blokové schéma v SIMULINKu pro komunikace s OPC serverem. pece. Tato pec bude sloužit pro názornou výuku v několika oblastech automatizace. Doprava materiálu obsahuje typické úlohy sekvenčního charakteru. Řízení ohřevu umožňuje demonstrovat šíři problematiky ohřevu materiálu v průmyslových průběžných pecích, od stabilizace teploty v zónách pece, programové řízení až po úlohy optimálního řízení a adaptačních modelů. Na obrázku 8 je uveden jeden z pohledů na konstrukci pláště pece a části řetězového dopravníku. Obr. 8 Model průběžné ohřívací pece Fig. 8 Model of continuous reheating furnace Obr. 6 Propojení soustavy s OPC serverem Fig. 6 System Connection of the system with OPC server Tento model sloužil pro testování funkčnosti standardního PID regulátoru v systému TECOMAT, kdy v prostředí MATLABu byla prováděna průběžná identifikace dynamické soustavy druhého řádu včetně zavedení poruch na vstup regulované soustavy. Na obr. 7 vidíme přechodové charakteristiky originální a modelu soustavy po identifikaci (identifikované soustavy). Virtualizace a její možnosti v oblasti simulací S příchodem výkonných vícejádrových procesorů v osobních počítačích a dostupností vysokokapacitních dynamických pamětí s kapacitou 4 8 GB není problém na těchto stanicích spustit virtuální stroje. Virtuální stroj se chová jako autonomní, od hostitelského prostředí oddělený počítač vybavený vlastním virtuální hardwarem. K dispozici je několik produktů: VirtualPC od Microsoftu, VirtualBox od fy. Sun, VMware od stejnojmenné firmy, Parallels server a workstation a některé další. Každý ze jmenovaných systémů má jiné výhody a jiné nedostatky. Základním kladem virtuálního stroje je pak možnost spuštění více virtuálních systémů na jednom počítači včetně jejich síťového propojení, což umožňuje pohodlně testovat i distribuované systémy od jednoho stolu a odhalit problémy v síťové komunikaci, synchronizaci přenosů mezi částmi distribuovaného systému i vlastní synchronizaci procesů. Obr. 7 Originální a identifikovaná přechodová charakteristika soustavy 2. řádu Fig. 7 Original and identified transition functions of the second order dynamic system Modely technologických zařízení Laboratoř bude postupně rozšiřována o funkční modely vybraných technologických zařízení nejen z oblasti metalurgie a hutního průmyslu. Příkladem nového projektu je fyzický model průběžné vícezónové ohřívací 28 Využití internetu a vzdáleného přístupu k PLC Moderní PLC systémy jsou vybaveny i možností v rámci svého systému nadefinovat a spustit internetovou aplikaci, která je pak dostupná prostřednictvím standardní IP adresy. V rámci této aplikace lze pak za podmínky, že PLC je připojeno přes router na veřejnou síť, z libovolného místa z internetu monitorovat vybrané parametry daného PLC, což v zásadě umožňuje základní dálkovou diagnostiku systému.

6 Hutnické listy č.1/2012, roč. LXV ISSN Automatizace, počítačová simulace, výpočetní metody Automation Control, Computer Simulation, Computing Methods Závěr V článku byly nastíněny možnosti využití moderních PLC systémů jak v rámci výuky předmětů automatizačního typu, tak i některé možné přístupy k vývoji a simulaci systémů, včetně využití komplexních metod, které využívají vhodných nástrojů simulačních jazyků, jejichž představitelem je například MATLAB. Tento článek je součástí řešení projektu projekt SP 2011/85 "Moderní přístupy a nástroje řízení průmyslových systémů". Literatura [1] CompactLogix System User Manual c/groups/literature/documents/um/1769- um011_-en-p.pdf [2] ControlLogix Redundancy Systém Revision 13 [cit ] dostupné< dc/groups/literature/documents/rn/1756- rn608_-en-e.pdf> [3] Rockwell Automation:CompactLogix& SCADA Popular Configuration Drawing [cit ] dostupné z dc/groups/literature/documents/qr/iasimpqr001_- en-p.pdf [4] Rockwell Automation : Publication IASIMP-QR009B-EN-P January 2008 [cit ] dostupné z dc/groups/literature/documents/qr/iasimpqr009_- en-p.pdf [5] ŠPIČKA, I., HEGER, M.: Simulations of heat processes into Matlab program, In PROCESS CONTROL 2008, Kouty nad Desnou, Czech Republic, 2008, s. C153_a- 1 7, ISBN [6] TECO a. s. OPC Server Teco VERZE 1.1 KVĚTEN 2003 [7] STEHLÍČEK M. Návrh a realizace laboratorní úlohy sekvenčního řízení s využitím automatů Allen-Bradley. Diplomová práce VŠB-TU Ostrava. Recenze: prof. Ing. František Němec, PhD. prof. Ing. Antonín Víteček, CSc., Dr.h.c. 29