Základy logického řízení

Transkript

1 Základy logického řízení Část I. Miloš Hernych TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/ , který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR

2 Cíle a obsah předmětu Naučit se pracovat s programovatelnými automaty, umět je aplikovat v řízení, programovat a obsluhovat. Naučit se logicky myslet. ;-)

3 Programovatelný logický automat Programmable Logic Controller (PLC) Uživatelsky programovatelný počítačový řídicí systém, uzpůsobený pro řízení technologických procesů, strojů, automatizaci budov, ap. v reálném čase. Je vybaven perifériemi, dovolujícími přímé napojení na technologii. Specifickou charakteristikou je cyklické vykonávání programu. Vznik datován do druhé poloviny 60.let, impulzem byl požadavek náhrady pevných reléových obvodů v automobilovém průmyslu (1968 USA/GM Hydramatic), Otcem Richard Dick Morley (Bedford Associates) - projekt 084 -> Modicon (MOdular DIgital CONtroller) ->Gould Automation Group -> AEG->Schneider Electric. Další používaná označení pro PLC: - SPS Speicherprogrammierbare Steuerung, - PA Programovatelný Automat, - PC Programmable Controller, - PAC - Programmable Automation Controller. PLC dnes řídí až 80% aplikací v průmyslu. ZLR

4 Robustnost Požadavky na PLC konstrukce musí být uzpůsobena způsobu a místu jejich použití > odolnost proti: mechanickému poškození, působení prachu, vlhkosti, nízkým a vysokým teplotám vibracím Kompaktnost PLC se instalují co nejblíže technologii -> malé rozměryry Spolehlivost nasazení v 24/7 a nebezpečných provozech, bezpečnost zařízení klasifikována dle norem IEC a IEC 61511, Safety Integrity Level (SIL) 1 až 4 Diagnostika předpokládá se schopnost autodiagnostiky Konfigurovatelnost každá aplikace je jedinečná a je třeba, aby bylo možné PLC ušít na míru Servis výrobce by měl být schopen zajistit rychlý servis a dostupnost ND min.10 let po skončení výroby Programovatelnost Schopnost rychlé tvorby aplikací

5 Oblast použití PLC PLC je univerzální zařízení vhodné pro řízení dynamických systémů v reálném čase ve strojní automatizaci řízení strojů, balicích, technologických a výrobních linek, v procesní automatizaci řízení v energetice kotelny a výměníkové stanice, větrné či malé vodní elektrárny, řízení v dopravě světelné křižovatky, tunely, výtahy, metro, vlakové soupravy, automatizaci budov obsluha osvětlení, vytápění a větrání, bezpečnostní funkce, řízení v chemickém a potravinářském průmyslu atd. Musí být schopné řešit úlohy kombinační i sekvenční.

6 Architektura PLC Zpravidla oddělená paměť pro program a pro data (Harvardská koncepce), program uložen v paměti FLASH nebo bateriově zálohované RAM, program se vykonává cyklicky.

7 Architektura safety PLC PLC pro bezpečná řízení se používají ve speciálních aplikacích, např.v chemickém průmyslu, jaderné energetice, aeronautice. Důležité prvky jsou zdvojeny, PLC je schopno testovat funkčnost a validitu vstupů a výstupů.

8 Podle provedení: Rozdělení PLC logické moduly/smart relay mikroplc kompaktní PLC modulární PLC softplc PLC pro bezpečné řízení PAC (Programmable Automation Controller)

9 Vstupy a výstupy PLC Podle vstupů a výstupů: - s čistě logickými vstupy a výstupy - výstupy tranzistorové rychlé, malé spínané ss proudy - výstupy reléové pomalejší, větší proudy - výstupy SSR - s analogovými vstupy a výstupy - s kombinovanými vstupy a výstupy - nový trend SW konfigurace funkce - se speciálními funkcemi - řízení několika os obráběcích strojů - řízení větrných nebo malých vodních elektráren

10 Komunikační možnosti PLC Původně byla PLC autonomní systémy, kterým chyběla schopnost komunikace s dalšími řídicími systémy. S rozvojem automatizace i možností řídicí techniky jsou komunikační rozhraní stále běžnější v těch nejmenších PLC. Komunikaci PLC s okolím můžeme rozdělit na - komunikaci servisní programování, diagnostika, atd., - komunikaci s nadřazenými prvky SCADA, řízení výroby atd., komunikace s ostatními řídícími systémy - po průmyslových sběrnicích (ProfiBus, CAN Bus, Modbus, AS Interface, Ethernet, ), komunikace s moduly vzdálených V/V, inteligentními čidly a akčními prvky, komunikace s prvky HMI - operátorské panely ap.

11 Programování PLC Každý výrobce dodává vlastní vývojové prostředí s vlastním způsobem programování -> snaha sjednotit: - norma IEC (1.verze v prosinci 1993, 2. v lednu 2003): - Part 1: General information - Part 2: Equipment requirements and tests - Part 3: Programming languages - Part 4: User guidelines - Part 5: Messaging service specification - Part 6: Communications via fieldbus (Awaiting completion of fieldbus standards.) - Part 7: Fuzzy control programming - Part 8: Guidelines for the application and implementation of programming languages

12 ČSN EN Norma IEC byla převzata do norem Evropské unie pod číslem EN IEC a do českých norem pod souhrnným označením ČSN EN s částmi: ČSN EN Programovatelné řídicí jednotky Část 1: Všeobecné informace ČSN EN Programovatelné řídicí jednotky Část 2: Požadavky na zařízení a zkoušky ČSN EN Programovatelné řídicí jednotky Část 3: Programovací jazyky ČSN EN Programovatelné řídicí jednotky Část 4: Podpora uživatelů ČSN EN Programovatelné řídicí jednotky Část 5: Komunikace ČSN EN Programovatelné řídicí jednotky Část 7: Programování fuzzy řízení

13 IEC Programovací jazyky dle IEC : - grafické - Ladder diagram (LD), německy Kontaktplan - Function block diagram (FBD), německy Funktionbausteinsprache - textové - Instruction list (IL) - Structured text (ST) - Sequential function chart (SFC), německy Ablaufsprache

14 Ladder diagram Jazyk vycházející z prezentace řídícího algoritmu jako reléového obvodu jednoduché, pro provozního elektrikáře snadno pochopitelné Reléové schéma Ladder diagram

15 Function block diagram Program se vytváří pomocí vzájemného propojování jednotlivých funkčních bloků Reléové schéma Function block diagram

16 Instruction list ZLR Jazyk na úrovni assembleru, základ má v prvotních programovacích jazycích především evropských výrobců PLC - Statement list (SL), Anweisungsliste (AWL), atd. Reléové schéma LDN OR AND ST ANDN ST B C A Q1 D Q2

17 Structured text Jedná se o výkonný vyšší programovací jazyk vycházející z jazyků ADA, Pascal a C. Umožňuje větvení (IF-THEN-ELSE a CASE OF) a cykly (FOR, WHILE, REPEAT). Reléové schéma Q1:=A AND (NOT(B) OR C) Q2:=Q1 AND NOT(D)

18 Sequential function chart Graficky orientovaný programovací jazyk, program je tvořen: -kroky s asociovanými akcemi -přechody s asociovanými logickými podmínkami -orientovanými spoji mezi skoky a přechody Definici SFC odpovídá jazyk GRAFCET (Graphe Fonctionnel de Etapes Transition)(ČSN EN ), který vychází z tzv.petriho sítí, upravených pro potřeby programování řídicích systémů. ZLR Vozík se nachází v bodě a, po stisknutí tlačítka s se rozjede doprava (R) do bodu b, odkud se vrátí doleva (L) do bodu a. Kroky přechody 1 počáteční krok (1) přeskočen při splnění a a s 2 pohyb doprava (2) přeskočen při splnění b 3 pohyb doleva (3) přeskočen při splnění a

19 Porovnání PC a PLC PC + vysoký výpočetní výkon + univerzální programovací jazyky + vysoký stupeň kompatibility s kancelářskými aplikacemi - problematická bezpečnost - problematické připojení průmyslových periférií - problematická odolnost vůči nepříznivému prostředí ZLR

20 Siemens LOGO! Jedná se o mikroplc/smart Relay pro instalaci na DIN lištu, s možností připojení až 7 rozšiřovacích modulů. Varianty: - s displejem a klávesnicí - bez (LOGO! Pure) - s hodinami reálného času Z/Lčas - bez Napájení: -12/24 DC ( 0 <5V, 1 >8V) -24 DC ( 0 <5V, 1 >12V) -24 AC/DC ( 0 <5V, 1 >12V) AC/DC ( 0 <40VAC/30VDC, 1 >79V AC/DC)

21 Siemens LOGO! BA5 Základní modul verze BA5 (aktuální BA7) má tyto parametry: - 8 log.vstupů (u verze 12/24 2x analog 10V) - 4 log.výstupy (relé 10A nebo tranzistor 0,3A) - program může obsahovat až 130 funkčních bloků - umožňuje definovat až 10 textových zpráv - 4 softkey - 24 binárních příznaků - 6 analogových příznaků

22 Rozšiřující moduly LOGO! Digitální moduly DM 8-12/24R 4 log.vstupy 4 relé 5A log.vstupy 4 tranzistory 0,3A - 24R 4 log.vstupy 4 relé 5A - 230R 4 log.vstupy 4 relé 5A Digitální moduly DM log.vstupy 8 tranzistory 0,3A - 24R 8 log.vstupy 8 relé 5A - 230R 8 log.vstupy 8 relé 5A Analogové moduly AM - AM 2 2 analog.vstupy 0-10V/0-20mA - AM2 PT100 2 vstupy PT100 - AM2 AQ 2 analog.výstupy 0-10V Komunikační moduly CM - CM AS Interface - CM KNX/EIB Max.konfigurace 24 log.vstupů+16 výstupů, 8 analog.vstupů+2 výstupy ZLR

23 Teco, a.s. Laboratoř logického řízení je převážně vybavena PLC Tecomat (TC) od firmy Teco, a.s. ( V současnosti jsou v sortimentu PLC : regulátory: panelové počítače: SMART smart relay TR050 Tempo TC400 mikroplc TR100 Touch TC500 miniplc s panelem TR200 TC600 miniplc TR300 TC650 miniplc TC700 modulární PLC TC950 modulární PLC Foxtrot miniplc se vzdálenými I/O SoftPLC emulace TC700 ZLR

24 Řady PLC Tecomat dle CPU Každý PLC Tecomat je dle použité centrální jednotky zařazen do určité řady. Ty se od sebe liší instrukční sadou (16 nebo 32 bitů), velikostí paměti a rychlostí procesoru (rychlost udávána časem, za který zpracují 1k logických instrukcí). Paměť řada instrukce RTC rychlost zástupci programu T R X Y Databox B 16bit ano 3,5ms 64kB 64kB 8192B 1024B 1024B až 1,5MB NS950 CPM-1B/CPM-2B C 32bit ano 0,9ms 64kB 64kB 40960B 8192B 8192B 1MB D 16bit ano 13ms 32kB 8192B 1024B 1024B 0/128/512kB TC650 TC700 CP-7001/CP-7002 TC400, TC500, TC600 NS950 CPM-1D E 16bit ne 60ms 16kB 256B 128B 128B ne NS950 CPM-1E G 32bit ano 0,9ms 128kB 64kB 40960B 8192B 8192B až 3MB TC700 CP-7003/CP-7005 K 32bit ano 0,2ms 192kB 64kB 65535B 8192B 8192B 0,5-3,5MB FOXTROT TC700 CP-7004 M 16bit ano 60ms 16kB 256B 128B 128B ne NS950 CPM-1M S 16bit ano 13ms 20kB 512B 1024B 1024B 0/128/512kB NS950 CPM-1S, CPM-2S

25 Porovnání dle počtu I/O

26 PLC Tecomat paměť Harvardská koncepce (oddělená paměť pro program a data) -programová paměť flash kB -datová paměť RAM 8-192kB -databox EEPROM 0-3MB Organizace datové paměti: X obrazy vstupů Y obrazy výstupů R uživatelské registry S systémové registry Speciální režim T tabulky (R/W) D data (R/O) U přímý přístup do paměti

27 Přístup na vstupy/výstupy

28 Pracovní cyklus

29 Procesy P0 základní proces P1-P4 čtyřfázově aktivované procesy P5-P9 časově aktivované procesy P5 každých 400 ms P6 každých 3,2 s P7 každých 25,6 s P8 každých 3,4 min P9 každých 27,2 min P10-P40 uživatelsky aktivované procesy S24.0-S25.0 P1-P9 S25.1-S28.7 P10-P40 P41-P48 přerušovací procesy 1.P43 přerušení od chyby 2.P42 přerušení od vstupu 3.P41 přerušení od času po 10ms 4.P44 přerušení od čítače nebo inkr.čidla 5.P45 přerušení od CH2 6.P46-P48 dle konkrétního HW P50-P57 ošetření ladícího bodu P60 podprogramy P62 teplý restart P63 studený restart P64 závěrečný proces cyklu ZLR

30 Střadač ZLR Znalost funkce střadače = zásobníku = akumulátoru je zásadní podmínkou pro tvorbu funkčních programů pro PLC Tecomat!

31 Struktura střadače Struktura střadače 16bit (TC400/TC500/TC600/TC950) Struktura střadače 32bit (TC650/TC700/Foxtrot)

32 Přehled datových formátů Tecomat starší označení IEC označení dle normy Vývojové prostředí Mosaic akceptuje obě formy

33 Celočíselné formáty BIT/BOOL ZLR Do paměti se ukládá LOGICKÝ SOUČET vrcholu zásobníku! Z paměti se hodnota bitu ukládá na celý vrchol zásobníku!

34 Celočíselné formáty-bit/bool Příklady: #DEF TEST_BIT0 %X1.2 ; bitu %X1.2 přiřadí symbolické jméno TEST_BIT0 #REG BOOL TEST_BIT1 ; v uživatelském registru R rezervuje 1 bit pro proměnnou TEST_BIT1 LD TEST_BIT0; na všechny bity vrcholu zásobníku načte obsah proměnné (bit %X1.2) WR TEST_BIT1; logický součet vrcholu zásobníku zkopíruje do proměnné TEST_BIT1 v uživatelské registru R LD %X0.0; na všechny bity vrcholu zásobníku načte bit z reg.obr.vstupů WR %Y0.0; log.součet vrcholu zásobníku zapíše na bit z reg.obr.výstupů

35 BYTE/USINT/SINT

36 BYTE/USINT/SINT Příklady: #DEF TEST_BYTE0 %X2 ;proměnné přiřadí 8 bitů z reg.obrazu vstupů #REG USINT TEST_BYTE1 ;v uživatelské paměti R vyhradí 1 byte. LD TEST_BYTE0 ;na vrchol zásobníku načte obsah registru %X2 WR TEST_BYTE1 ;vrchol zásobníku zkopíruje do proměnné TEST_BYTE1 v uživatelské registru R LD %X0 ;na vrchol zásobníku načte najednou 8 bitů z registru obrazu vstupů - bity %X0.0 až %X0.7 WR %Y15 ;zapíše najednou 8 bitů z vrcholu zásobníku do registru obrazu výstupů - bity %Y15.0 až %Y15.7

37 WORD/UINT/INT

38 WORD/UINT/INT ZLR Příklady: #DEF TEST_WORD0 %XW2 ;proměnné přiřadí 16 bitů z reg.obrazu vstupů #REG INT TEST_WORD1 ;v uživatelské paměti R vyhradí 2 byte. LD TEST_WORD0 ;na vrchol zásobníku načte obsah proměnné (byte %X2 a %X3) WR TEST_WORD1 ;vrchol zásobníku zkopíruje do proměnné TEST_WORD1 v uživatelské registru R LD %XW0 ;na vrchol zásobníku načte najednou 16 bitů z registru obrazu vstupů - bity %X0.0 až %X1.7 WR %YW15;zapíše najednou 16 bitů z vrcholu zásobníku do registru obrazu výstupů - bity %Y15.0 až %Y16.7

39 LONG/DWORD/UDINT/DINT

40 LONG/DWORD/UDINT/DINT Příklady: #DEF TEST_LONG0 %XL20; proměnné přiřadí 32bitů reg.obr.vstupů #REG DINT TEST_DWORD1;v uživatelském registru R rezervuje 4 byte. LD TEST_LONG0 ;na vrchol zásobníku načte obsah proměnné (byte %X20 až %X23) WR TEST_DWORD1 ;vrchol zásobníku zkopíruje do proměnné TEST_DWORD1 v uživatelské registru R LD %XL10 ;na vrchol zásobníku načte najednou 32 bitů z registru obrazu vstupů - bity %X10.0 až %X13.7 WR %YL15;zapíše najednou 32 bitů z vrcholu zásobníku do registru obrazu výstupů - bity %Y15.0 až %Y18.7 LD %SL0; na vrchol zásobníku načte najednou 32 bitů z registru obrazu vstupů - bity %S0.0 až %S3.7

41 Formáty s plovoucí čárkou-float/real Dle IEEE-754 jednoduchá přesnost 4 byte pro 255 > e > 0 : ZLR pro e = 0 a m > 0 : val val pro e = 0 a m = 0 : val = 0 pro e = 255 a m = 0 : val = = s ( e ) ( ) = ( 1) s ( 1 ) 2 pro e = 255 a m > 0 : val = NaN s mi i 2 i = 1 23 i = 1 m i 2 i

42 Formáty s plovoucí čárkou-double/lreal ZLR Dle IEEE-754 dvojnásobná přesnost 8 byte Pouze u PLC s 32 bitovým zápisníkem!

43 Číselné soustavy V PLC Tecomat je možné pracovat s několika typy číselných soustav, obecný zápis: #n#cccc Dvojková soustava: Hexadecimální soustava: LD #2# LD #16#3F LD % LD $3F LD %1010 Oktalová soustava: Desítková soustava: LD #8#57 LD #10#145 LD 145 ZLR Šedesátková soustava: LD #60#

44 Zdroje [online]. [cit ]. [online]. [cit ]. [online]. [cit ].