VYSOKÁ ŠKOLA POLYTECHNICKÁ JIHLAVA Katedra elektrotechniky a informatiky Model křižovatky pro výuku Programovatelné automaty bakalářská práce Autor: Ondřej Svoboda Vedoucí práce: Prof. Ing. František Zezulka, CSc. Jihlava 2012
ABSTRAKT Náplní bakalářské práce je navržení a realizování elektronického modelu skutečné křižovatky pro účely řízení pomocí PLC 1. Tento model bude využíván v předmětu Programovatelné automaty jako bezobslužný model. Model bude řízen automatem SIMATIC S7 300 a naprogramován ve vývojovém prostředí STEP 7. Bakalářská práce obsahuje základní informace o PLC, zejména bude kladen důraz na řídící automat modelu. V další kapitole je obsažen elektrotechnický návrh a zhotovení samotného modelu včetně testovacího přípravku. Na závěr práce je popsán část řídícího programu. Klíčová slova Programovatelné automaty, SIMATIC S7 300, STEP 7 ABSTRACT The scope of thesis is the design and realization of an electronic model of a real crossroads for control by PLC. This model will be used in the subject as unattended Programmable logic model. The model is controlled by PLC SIMATIC S7 300 and programmed in STEP 7 development environment Bachelor thesis contains basic information about the PLC, especially the emphasis on the control machine model. In the next chapter is included electrical design and fabrication of the model itself, including test preparation. At the conclusion of the work described is part of the control program. KEYWORDS Programmable Logic Controler, SIMATIC S7 300, STEP 7 1 Programovatelný logický automat
PODĚKOVÁNÍ Děkuji vedoucímu své bakalářské práce, Prof. Ing. Františku Zezulkovi, CSc., za veškerý čas, který mně věnoval při tvorbě této práce. Poděkování patří i panu Ing. Bc. Davidu Matouškovi za vyleptání desky. Za vstřícnost a ochotu chci také poděkovat Vyšší odborné a Střední průmyslové škole ve Žďáře nad Sázavou, která mi zapůjčila měřící a elektronické přístroje a učiteli této školy panu Ing. Pavlovi Vorlíčkovi za pomoc při vyleptání testovací desky a poskytnutí odborných rad. Dále bych rád poděkoval mojí rodině za jejich podporu po celou dobu mého studia.
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že předložená bakalářská práce je původní a zpracoval jsem ji samostatně. Prohlašuji, že citace použitých pramenů je úplná, že jsem v práci neporušil autorská práva (ve smyslu zákona č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů, v platném znění, dále též AZ ). Souhlasím s umístěním bakalářské práce v knihovně VŠPJ a s jejím užitím k výuce nebo k vlastní vnitřní potřebě VŠPJ. Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vztahuje AZ, zejména 60 (školní dílo). Beru na vědomí, že VŠPJ má právo na uzavření licenční smlouvy o užití mé bakalářské práce a prohlašuji, že s o u h l a s í m s případným užitím mé bakalářské práce (prodej, zapůjčení apod.). Jsem si vědom toho, že užít své bakalářské práce či poskytnout licenci k jejímu využití mohu jen se souhlasem VŠPJ, která má právo ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, vynaložených vysokou školou na vytvoření díla (až do jejich skutečné výše), z výdělku dosaženého v souvislosti s užitím díla či poskytnutím licence. V Jihlavě dne 1. 3. 2012... Podpis
Obsah 1 Úvod... 8 2 Problematika PLC... 10 2.1 Co je PLC.... 10 2.2 Rozdělení PLC... 11 3 Řídící jednotka Simatic S7 300... 13 3.1 Základní vlastnosti... 13 3.2 Použitý hardware... 14 3.2.1 Zdroj a procesor... 14 3.2.2 Vstupní a výstupní karty... 15 3.2.3 Komunikace automatu s PC... 17 3.2.4 Rozložení modulů řídící jednotky... 18 3.3 Nastavení HW konfigurace... 19 3.4 Určení rozsahu adres příslušných karet... 20 3.4.1 Přehled adres jednotlivých karet... 21 3.5 Adresy vstupů a výstupů PLC... 22 3.5.1 Grafické znázornění vstupů a výstupů... 25 4 Analýza modelu křižovatky... 26 4.1 Vytvoření návrhu modelu křižovatky (vzhled)... 26 4.2 Vytvoření testovací desky... 27 4.2.1 Rozpis součástek... 27 4.2.2 Schéma... 28 4.2.3 Plošný spoj... 28 4.2.4 3D obraz... 29 4.2.5 Reálný obraz... 30 4.2.6 Funkčnost testovací desky... 30 5 Realizace modelu křižovatky... 31 5.1 Světelná signalizace... 31 5.2 Propojovací kabely PLC s modelem... 32 5.3 Schéma modelu... 34
5.4 Rozmístění součástek... 36 5.5 Návrh plošného spoje... 37 5.6 Vytvoření polepu vrchní desky... 38 6 Popis modelu... 39 7 Řízení modelu... 40 7.1 Režimy řízení... 40 8 Testování modelu... 42 8.1 Řídící program... 42 8.1.1 Část kódu pro řídící program... 42 9 Existující modely... 44 10 Závěr... 46 10.1 Zhodnocení práce... 46 10.2 Problémy a jejich řešení... 46 10.3 Možnosti rozšíření práce... 46 Seznam použité literatury... 47 Seznam citací... 48 Seznam použitých zkratek... 49 Seznam obrázků... 50 Seznam tabulek... 51 Seznam příloh... 52
1 Úvod Automatické ovládání aplikací a zařízení se stává v současném světě již samozřejmostí a nutností, bez něhož bychom si život pomalu ani nedokázali představit. Nemohli bychom se vozit v dopravních prostředcích, automatizovat výrobu či řídit malé modely sloužící k seznámení se s problematikou automatizace. Pro tyto účely mohou kromě velkých a složitých počítačů sloužit i malé a levné řídící jednotky různých schopností a velikostí označované jako programovatelné automaty [1]. Několik měsíců jsem působil ve firmě COMPAS automatizace, spol. s r.o. ve Žďáře nad Sázavou, kde jsem se seznámil s průmyslovou automatizací. Pracoval jsem zejména s programovatelným automatem SIMATIC S7 200, který se používá většinou v jednoduchých úlohách. Na Vysoké škole polytechnické v Jihlavě v předmětu Počítačově řídicí systémy jsme se seznámili s některými automatizačními prostředky, jako jsou Wago nebo Mitsubishi, které byly technicky vyspělé, ovšem jejich některé modely na ovládání byly pouze jen vizuální nebo jich bylo nedostatek. Z toho důvodu jsem si vybral za bakalářskou práci vytvoření modelu křižovatky do předmětu Programovatelné automaty a zároveň došlo o rozšíření těchto modelů sloužící pro výuku zaměřující na automatizaci. Cílem této práce je navrhnout a vytvořit elektronický model skutečné křižovatky pro účely řízení pomocí programovatelného automatu. Tento přípravek obsahuje LED 2 diody jako světelné semafory a bude mít 5 základních režimů - režim "MIMO PROVOZ", kdy na všech semaforech blikají oranžová světla, režim "AUTOMATICKÝ PROVOZ ", kdy je křižovatka v běžném automatickém režimu, režim "START", režim "STOP". Režim "Tlačítko pro chodce" umožní zkrátit interval čekání. V případě, že nebylo tlačítko pro chodce stisknuto, se zelená na odpovídajícím semaforu pro chodce neobjeví. Režim "START" aktivuje světelnou křižovatku. Režim "STOP" zastaví běh programu. Dále byl vytvořen řídící program pro oživení modelu. 2 Dioda emitující světlo 8
Model je realizován pomocí programu EAGLE 3 free jako deska plošných spojů o velikosti 200 x 300 mm. Řízení modelu je realizováno programovatelným automatem SIMATIC S7 300, který je součástí automatizační laboratoře na vysoké škole. Program pro oživení modelu je naprogramován ve vývojovém prostředí programu STEP 7 a napsán v jazyce LAD 4. 3 Eagle je nástroj pro návrh desek plošných spojů 4 Jazyk vycházející ze symbolů liniových schémat neboli LADDER DIAGRAM 9
2 Problematika PLC 2.1 Co je PLC. PLC je zkratka pro programovatelné logické automaty (Programmable Logic Controlers), které patří již dlouhodobě k základům automatického měření, regulace nebo řízení prostředků sloužících pro ovládání technologických procesů, výrobních linek nebo strojů. V současnosti již jde o jednoduché modulární a lehce programovatelné jednotky v podobě vzájemně propojených malých krabiček s mnoha vstupy a výstupy. PLC automaty jsou odlišné od běžných počítačů nejen tím, že zpracovávají program cyklicky ale i tím, že jejich periferie jsou přímo uzpůsobeny pro napojení na technologické procesy. Převážnou část periferií v tomto případě tvoří digitální vstupy (DI) a digitální výstupy (DO). Pro další zpracování signálů a napojení na technologii jsou určeny analogové vstupy (AI) a analogové výstupy (AO) pro zpracování spojitých signálů. Výhodou těchto jednotek je spolehlivost, nižší náklady na kabeláž, snazší údržba a také jednodušší ladění programů. Pro PLC je charakteristické to, že program se vykonává v tzv. cyklech. Programování součastných PLC se ve vývojovém softwaru provádí pomocí vkládání již připravených funkcí reprezentovaných ikonami na obrazovce a jejich propojování tažením myši bez nutné znalosti, co je uvnitř automatu. Programovatelný automat umožňuje logické rovnice naprogramovat, zatímco předcházející bezkontaktní nebo reléová řeší logické rovnice fyzickým propojením logických členů. Jakákoli změna logické struktury se snadno provede změnou programu programovatelného automatu, což je podstatně jednodušší, než přepojení reléového nebo logického schéma. Mechanická instalace pak spočívá pouze v připojení vodičů do šroubovacích svorek představující jednotlivé vstupy a výstupy [2]. 10
2.2 Rozdělení PLC Z hlediska konstrukce se automaty dělí do těchto skupin: Kompaktní systém, který v jednom modulu obsahuje CPU (Central Procesor Unit), digitální a analogové vstupy/výstupy a základní podporu komunikace, v některých případech i zdroj. Rozšiřitelnost kompaktních systémů je omezena. Mezi tuto skupinu patří např. Wago. Obrázek 1. Wago Modulární je takový systém, kde jsou jednotlivé komponenty celku rozděleny do modulů. Celý systém PLC se potom skládá z modulů: zdroje, CPU, vstupů / výstupů, funkčních modulů. Modulární systém je možno dále rozšiřovat (s ohledem na limity výstavby systému) a to v nepoměrně větším rozsahu než u kompaktních systémů. Do této skupiny patří SIMATIC S7 300 a S7 400. Obrázek 2. Siemens Simatic S7-300 a S7-400 11
Se zabudovaným operátorským panelem tzv. OPLC, někdy též pracovní stanice (např. Teco: TECOMAT TC500, Siemens: SIMATIC C7). Jsou to PLC systémy, integrující v sobě řídící jednotku se vstupy a výstupy a uživatelské rozhraní, jako je klávesnice a displej [3]. Obrázek 3. TECOMAT TC500 Model křižovatky je ovládán programovatelným automatem SIMATIC S7 300, který patří do skupiny již zmiňovaných modulárních systémů. Obrázek 4. Modulární Simatic S7 300 12
3 Řídící jednotka Simatic S7 300 3.1 Základní vlastnosti Průmyslový řídicí systém SIMATIC S7 300 je nejprodávanějším řídicím systémem z široké nabídky firmy Siemens. Je určen pro realizaci rozmanitých automatizačních úloh středního rozsahu. Poskytuje univerzální automatizační platformu pro systémová řešení s hlavním důrazem na výrobní technologii [4]. Mezi jeho výhody patří: Modulární mini PLC přístroj pro jednodušší a středně pokročilé aplikace Široká škála výkonově rozdílných CPU jednotek Velký výběr rozšiřujících periferních modulů Rozšiřitelnost až do konfigurace s 32 moduly Integrovaná systémová sběrnice uvnitř jednotek a modulů velká nabídka kvalitních přístrojů různých výrobců Kompatibilní s průmyslovými sítěmi MPI (Multipoint interface) PROFIBUS Industrial Ethernet Mezi jeho nevýhody patří: nezbytnost hierarchické architektury při propojování do větších celků vyšší cena 13
3.2 Použitý hardware 3.2.1 Zdroj a procesor SIMATIC S7 300 se skládá ze stabilizovaného zdroje napětí o výkonu 120W. Vstupní napájení AC 120 / 230 V, 50 / 60 Hz 5 - přepínatelné. Výstupní napájení 24V DC při proudu 5A. Rozměr zdroje je 80 x 125 x 120 mm. Jádrem řídicího systému této řady je procesor (CPU), který zpracovává uživatelský program a také obsahuje zásuvnou pozici pro paměťový modul Flash EPROM. Paměťový modul zálohuje uživatelský program pro případ současného výpadku napájení a záložní baterie. Procesor se skládá ze tří rychlých čítačů po 30 khz, integrovaného napájecího zdroje 24V DC a pracovní pamětí 64kB. Obrázek 5. Zdroj a procesor SIMATIC S7 300 Dále součástí procesoru je 16 digitálních vstupů a 16 digitálních výstupů (viz kapitola 3.2.2) včetně propojovacího modulu. 5 Hertz je hlavní jednotkou frekvence 14
3.2.2 Vstupní a výstupní karty Tato řada programovatelných automatů poskytuje velkou škálu standardních i nestandardních digitálních vstupních/výstupních karet, díky nimž podporuje vysokou modularitu řešení. Jestliže automatizační úloha vyžaduje více než 8 karet, lze centrální řídicí systém S7 300 rozšířit pomocí rozšiřovací jednotky. Každá jednotka může obsahovat maximálně 8 karet. Celá konfigurace systému může obsahovat až 32 karet. Komunikace mezi jednotlivými zařízeními je zajišťována připojovacími moduly, které pracují nezávisle na sobě. V případě, že provoz pokrývá rozsáhlejší oblast, lze umístit centrální řídicí systém a rozšiřující jednotky i ve větších vzdálenostech od sebe až do desítek metrů. K dispozici je široký rozsah digitálních a analogových karet dle požadavků příslušných úloh. Řídící prvek modelu křižovatky je složen z digitálních vstupních/výstupních karet. Karta digitálních výstupů přetváří vnitřní signály řídící jednotky na vnější binární signály pro řízení procesu. Výstupy karet jsou určeny pro připojení např. magnetických ventilů, stykačů a malých motorů. Karta digitálních vstupů přetváří vnější binární signály z procesu na vnitřní signály řídící jednotky. Vstupy karet jsou připraveny také pro vstup dvouvodičových spínačů polohy. Stav signálů na vstupu nebo na výstupu jsou zobrazovány zelenou LED diodou, což přispívá k rychlejšímu odstranění případné poruchy [5]. 15
Obrázek 6. Vstupní / výstupní modul SIMATIC S7 300 se skládá z těchto vstupních / výstupních karet: 16 digitálních vstupů (16DI), 24V DC 8 digitálních výstupů (8DO), 24V DC, 0.5A 16 digitálních vstupů (16DI), 24V DC 8 digitálních výstupů (8 DO), 24V DC, 0.5A Obrázek 7. Sestavení vstupních / výstupních karet 16
3.2.3 Komunikace automatu s PC PLC umožňuje začlenění do různých typů průmyslových sítí, jakou jsou MPI, PROFIBUS nebo ETHERNET. Automat SIMATIC S7 300 ve školní laboratoři komunikuje s počítačem pomocí systémového rozhraní MPI přes USB port PC. V principu se jedná o napěťové diferenční rozhraní typu RS 485. Je to tedy programovací kabel, kde USB rozhraní poskytuje sériové připojení, konverzi signálu na RS485 a konverzi na MPI protokol. Tento adaptér umožňuje USB rozhraní v počítači simulovat klasický sériový port (tzv. COM 6 port), proto může být standardně použit pro celou řadu. programovacích/komunikačních, monitorovacích softwarů či dalších aplikací. Adaptér je napájen přímo z USB konektoru a programovacího portu PLC. Celkem lze připojit 125 MPI stanic s přenosovou rychlostí až 1,5 Mbit / s. Na adaptéru jsou dvoubarevné LED indikátory zobrazující aktuální přenos dat [6]. Obrázek 8. MPI rozhraní 6 COM je původní název pro rozhraní stále používaného sériového portu. 17
3.2.4 Rozložení modulů řídící jednotky Rozložení jednotlivých modulů automatu SIMATIC S7 300 vidíme na obrázku č. 9. A B C D E F G H Obrázek 9. Moduly Simatic S7-300 A.) ZDROJ B.) Procesor (CPU) C.) Propojovací modul D.) Integrované digitální vstupní / výstupní karty (16xDI / 16xDO) E.)Digitální výstupní karta (8xDO) F.) Digitální vstupní karta (16xDI) G.) Digitální výstupní karta (8xDO) H.) Digitální vstupní karta (16xDI) 18
3.3 Nastavení HW 7 konfigurace Tato kapitola se zabývá správnou konfigurací hardwaru SIMATIC S7 300. Provádí se z důvodu úspěšnější komunikace automatu s ostatními přídavnými moduly. Nastavení konfigurace se provádí v programu SIMATIC STEP 7 Professional a musejí zde být uvedeny všechny moduly včetně zdroje a procesoru. Názvy modulů jsou většinou uvedeny na přední straně. Abychom dobře zvládli vytvoření konfigurace, je dobré si zjistit přesné typy všech používaných modulů podle katalogu. Pro řízení modelu křižovatky je použit procesor typu CPU 313C-2 DP a zdroj PS 307 2A. Dále digitální vstupní / výstupní karty, které jsou uvedené v kapitole 3.2.2. Modře označeno na obrázku jsou digitální vstupy a výstupy, které jsou součástí procesoru. Obrázek 10. Hardwarová konfigurace 7 HW neboli hardware. Jsou to součástky počítače, bez nichž by nebyl schopen pracovat 19
3.4 Určení rozsahu adres příslušných karet Každá připojená karta k SIMATIC S7 300 musí mít nadefinované jedinečné adresy pro vstupní /výstupní signály. Pomocí těchto adres se potom odkazujeme na jednotlivé vstupy nebo výstupy automatu. Jestliže karta obsahuje 8 digitálních vstupů, musí mít nadefinováno 8 adres. Rozsahy adres se nastavují při hardwarové konfiguraci. Dvojitým kliknutím na příslušnou I/O kartu v HW konfiguraci zobrazíme dialogové okno. V tomto okně se zadá do políčka Start rozsah adresy. Na obrázku níže můžeme vidět kartu DO8xDC24V/2A, která má adresu 4. Tudíž rozsah adres bude 4.0 4.7. Rozsahy adres nastavíme pro všechny I/O karty. Obrázek 11. Určení rozsahu adresy karty 20
3.4.1 Přehled adres jednotlivých karet Výstupní signály automatu se označují písmenem Q, vstupní signály se označují písmenem I. ZDROJ CPU 16xDI / 16xDO 8xDO 16xDI 8xDO 16xDI I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 I1.6 I1.7 Q2.0 Q2.1 Q2.2 Q2.3 Q2.4 Q2.5 Q2.6 Q2.7 Q3.0 Q3.1 Q3.2 Q3.3 Q3.4 Q3.5 Q3.6 Q3.7 Q4.0 Q4.1 Q4.2 Q4.3 Q4.4 Q4.5 Q4.6 Q4.7 I5.0 I5.1 I5.2 I5.3 I5.4 I5.5 I5.6 I5.7 I6.0 I6.1 I6.2 I6.3 I6.4 I6.5 I6.6 I6.7 Q7.0 Q7.1 Q7.2 Q7.3 Q7.4 Q7.5 Q7.6 Q7.7 I8.0 I8.1 I8.2 I8.3 I8.4 I8.5 I8.6 I8.7 I9.0 I9.1 I9.2 I9.3 I9.4 I9.5 I9.6 I9.7 Obrázek 12. Adresy vstupních / výstupních karet automatu 21
3.5 Adresy vstupů a výstupů PLC Jak už jsem zmínil v předchozí kapitole, pomocí nadefinovaných adres se odkazuji na jednotlivé vstupy nebo výstupy automatu. Každý signál ať už ze vstupního nebo výstupního modulu má specifickou adresu. Model křižovatky obsahuje 28 LED diod a 11 tlačítek. Každý tento prvek musí být nějak pojmenován. K tomu nám právě slouží nadefinované adresy vstupů a výstupů, které jsou uvedeny v tabulkách níže. Tabulka 1:Vstupy PLC Vstupy Adresy vstupů I0.0 START / STOP Funkce I0.7 Mimo provoz I0.3 Automatický provoz I5.4 Hlavní silnice dole vlevo-tlačítko CHODEC Digitální I5.2 Hlavní silnice dole vpravo-tlačítko CHODEC I5.5 Hlavní silnice nahoře vlevo-tlačítko CHODEC I6.1 Hlavní silnice nahoře vpravo-tlačítko CHODEC I5.6 Vedlejší silnice vlevo dole-tlačítko CHODEC I5.7 Vedlejší silnice vlevo nahoře-tlačítko CHODEC I6.0 Vedlejší silnice vpravo nahoře-tlačítko CHODEC I5.1 Vedlejší silnice vpravo dole-tlačítko CHODEC 22
Tabulka 2: Výstupy PLC Výstupy Adresy výstupů Funkce Q3.3 Hlavní silnice dole červené světlo AUTO Q3.5 Hlavní silnice dole oranžové světlo AUTO Q3.7 Hlavní silnice dole zelené světlo AUTO Q2.5 Vedlejší silnice vpravo červené světlo AUTO Q2.7 Vedlejší silnice vpravo oranžové světlo AUTO Q2.6 Vedlejší silnice vpravo zelené světlo AUTO Q3.3 Hlavní silnice nahoře červené světlo AUTO Digitální Q3.5 Hlavní silnice nahoře oranžové světlo AUTO Q3.7 Hlavní silnice nahoře zelené světlo AUTO Q2.5 Vedlejší silnice vlevo červené světlo AUTO Q2.7 Vedlejší silnice vlevo oranžové světlo AUTO Q2.6 Vedlejší silnice vlevo zelené světlo AUTO Q2.1 Hlavní silnice dole vlevo červené světlo CHODEC Q2.3 Hlavní silnice dole vlevo zelené světlo CHODEC Q2.1 Hlavní silnice dole vpravo červené světlo CHODEC Q2.3 Hlavní silnice dole vpravo zelené světlo CHODEC 23
Výstupy Adresy výstupů Funkce Q2.4 Vedlejší silnice vpravo dole červené světlo CHODEC Q2.2 Vedlejší silnice vpravo dole zelené světlo CHODEC Q3.1 Vedlejší silnice vpravo nahoře červené světlo CHODEC Q3.0 Vedlejší silnice vpravo nahoře zelené světlo CHODEC Digitální Q3.6 Hlavní silnice nahoře vpravo červené světlo CHODEC Q3.4 Hlavní silnice nahoře vpravo zelené světlo CHODEC Q3.6 Hlavní silnice nahoře vlevo červené světlo CHODEC Q3.4 Hlavní silnice nahoře vlevo zelené světlo CHODEC Q3.1 Vedlejší silnice vlevo nahoře červené světlo CHODEC Q3.0 Vedlejší silnice vlevo nahoře zelené světlo CHODEC Q2.4 Vedlejší silnice vlevo dole červené světlo CHODEC Q2.2 Vedlejší silnice vlevo dole zelené světlo CHODEC 24
3.5.1 Grafické znázornění vstupů a výstupů Jelikož model křižovatky obsahuje velké množství výstupních / vstupních signálů a vypsané adresy těchto signálů v tabulkách nejsou až tak přehledné, zvolil jsem proto grafické znázornění. Grafické znázornění poslouží zejména pro lepší orientaci při oživování modelu.. Obrázek 13. Grafické znázornění vstupů a výstupů PLC 25
4 Analýza modelu křižovatky 4.1 Vytvoření návrhu modelu křižovatky (vzhled) Před vytvořením jakéhokoliv modelu hrají důležitou roli rozměry a vzhled. Rozměry modelu křižovatky jsem měl dané a to 210 297 mm. Vzhledem k velikosti desky plošných spojů jsem musel rozměr modelu upravit a to na 200 x 300 mm. Možný vzhled modelu křižovatky, který vidíme na obrázku níže, jsem si namodeloval pomocí programu Autodesk Inventor Trial, se kterým jsem se setkal na střední škole. Obrázek 14. Návrh vzhledu modelu křižovatka 26
4.2 Vytvoření testovací desky Testovací deska se realizovala za pomocí programu EAGLE 5.6.0 free. Byla vytvořena za účelem otestování funkčnosti všech součástek obsahující model křižovatka, a také pro správnou realizaci při navrhování desky plošných spojů modelu. Díky této desce jsem se vyvaroval nežádoucích chyb, které mohly nastat při výrobě modelu. Deska je přesnou kopií přechodu pro chodce. Obsahuje červenou, oranžovou a zelenou LED diodu představující semafor pro auta, červenou a zelenou LED diodu jako semafor pro chodce, tlačítkový spínač reprezentující tlačítko pro chodce a na konec posuvný spínač pro vypnutí a zapnuti přechodu. 4.2.1 Rozpis součástek Pro vytvoření testovací desky jsem použil tyto součástky: Pcs Part Value Device ------------------------------------------------------------------------------------ 2 x LED RED 3mm LED3MM 2 x LED GREEN 3mm LED3MM 1 x LED ORANGE 3mm LED3MM 5x R R-EU_0204/5 1x S1 DT6 DT6 1x S2 255SB 1x SV1 ML20 27
4.2.2 Schéma Obrázek 15. Schéma testovací desky 4.2.3 Plošný spoj Obrázek 16. Návrh DPS v Eaglu 28
4.2.4 3D obraz Po vytvoření plošného spoje navrženého v Eaglu lze za pomocí programu POV Ray a knihoven součástek vytvořit 3D 8 obraz testovací desky. Tento dokonalý náhled obrazu nám umožňuje nejen přesný vzhled a velikost součástek, ale i jejich rozmístění na desce před vlastní realizací. Pokud by totiž některá ze součástek ležela na špatném místě, museli bychom nově osadit desku. Díky tomuto 3D obrazu k takovému problému nemůže dojít. POV Ray, plným názvem Persistence of Vision Ray-Tracer je software, pro vytváření obrázků 3D počítačové grafiky pomocí metody sledování paprsku (raytracing). K popisu scény se používá specializovaný programovací jazyk označený SDL (scene description language). S programem POV Ray jsem se setkal na vysoké škole během předmětu ovládání zařízení pomocí počítače [7]. - Obrázek 17. 3D obraz testovací desky 8 Zkratka 3D často označuje techniky používané pro zobrazení či prohlížení zdánlivě trojrozměrných objektů na plochém médiu. 29
4.2.5 Reálný obraz Obrázek 18. Reálný obraz testovací desky 4.2.6 Funkčnost testovací desky Po připojení k PLC byla testovací deska funkční. Obrázek 19. Funkčnost testovací desky 30
5 Realizace modelu křižovatky Mou první myšlenkou před vlastní realizací, bylo vytvoření plastové desky, do nichž by byly vyvrtány otvory na elektrotechnické součástky, osazeny a propojeny drátovými propojkami. Tento způsob se mi ale nezdál velmi dobrý z důvodu velkého množství drátových propojek, nepřehlednosti při realizaci a možného odtržení jakékoliv propojky během manipulace s modelem. Zvolil jsem proto metodu výroby modelu pomocí desky plošných spojů (DPS), kdy tyto spoje nahradí již zmiňované nevhodné drátové propojky. Tento způsob realizace je vhodný pro rozmístění a osazení součástek, pro estetický dojem, ale také v neposlední řadě úspora prostoru a materiálu. 5.1 Světelná signalizace Model křižovatka obsahuje 12 semaforů. Jako světelné signalizace v semaforech jsou zde použity LED diody v barevném provedení. Svítivé diody je nutné připojit v DPS na napájení ve správné polaritě. Katoda (je připojena ke kratšímu vývodu a pouzdro je u ní zploštělé) se připojuje na mínus a anoda na plus. Jsou to klasické LED diody s I max. = 20 ma. Proto bylo nutné vložit do DPS před každou diodu předřadný rezistor. Hodnota předřadného rezistoru byla vypočtena podle následujícího vzorce: kde: R = předřadný rezistor Unap = napájecí napětí PLC Ud = napájecí napětí LED Id = napájecí proud LED diody 31
po dosazení: Z katalogu jsem stanovil hodnotu předřadného rezistoru na 1K2. Nyní spočítáme maximální příkon předřadného rezistoru: Ze vzorce jsme spočítali maximální příkon předřadného rezistoru, který je 0,48W. 5.2 Propojovací kabely PLC s modelem Pro připojení PLC a modelu jsou potřebné propojovací kabely. Za propojovací kabel jsem zde použil 20 žilový plochý kabel AWG28 20 dlouhý 20 cm. Kabel je připojený do dvou konektorů typu PFL 20 - pin. Výroba kabelu je velmi jednoduchá. Kabel vložíme do jednoho konektoru PFL 20 - pin a sevřeme ve svěráku. Tím se nože konektoru zaříznou do kabelu. Po té nasadíme na konektor tzv. plastovou pojistku. Tato pojistka slouží k připevnění konektoru s kabelem. 32
Obrázek 20. Realizace propojovacího kabelu Obě strany hotového kabelu se nasadí do dvou konektorů typu MLW20G. Jeden konektor je umístěn na výstupu řídící jednotky a druhý konektor je na desce plošných spojů modelu. Vnitřní strukturu tohoto konektoru je na obr. 21. Obrázek 21. Vnitřní struktura konektoru ML20G kde: VCC napájecí napětí GND zem QX 9.0 QX.7 adresy výstupů PLC IX.0 IX.7 adresy vstupů PLC 9 Za X dosadíme adresní rozsah (viz kapitola 3.4). 33
5.3 Schéma modelu Model křižovatka se skládá z těchto pěti schémat, které byly vytvořeny v programu Eagle Free. Obrázek 22. Schéma č. 1 Obrázek 23. Schéma č. 2 34
Obrázek 24. Schéma č. 3 Obrázek 25. Schéma č. 4 Obrázek 26. Schéma č. 5 35
5.4 Rozmístění součástek Rozmístění jednotlivých součástek na desce je velmi důležitou záležitostí. LED diody jako semafory musí být totiž poskládány tak, aby na desce tvořily obrazec křižovatky typu X. Z programu Eagle Free, který vlastní škola a umí vytvářet desky plošných spojů pouze o velikosti 8 x 10 cm, jsem si vyexportoval součástky a pouzdra součástek. Vytvořil jsem si v programu Word šablonu křižovatky, a podle této šablony součástky ve Wordu rozmístil. Rozmístění součástek včetně šablony si můžeme všimnout na spodním obrázku. Měřítko 1:2 Obrázek 27. Rozmístění součástek Návrh plošného spoje vzniklo propojením pouzder součástek podle schéma zapojení v programu Word. 36
5.5 Návrh plošného spoje Měřítko 1:2.Obrázek 28. Návrh DPS Obrázek 29. Vyleptaná deska s rezistory 37
5.6 Vytvoření polepu vrchní desky Bylo zapotřebí, než byly osázeny součástky, vytvořit polep na vrchní desku. Obrázek polepu byl vytvořen v editačním obrázkovém programu. Na spodní stranu jsem položil návrh DPS a horní stranu dokreslil. Poté jsem nechal vzhled polepu vytisknout. Obrázek 30. Vytváření samolepky Obrázek 31. Finální podoba samolepky 38
6 Popis modelu Po nalepení polepu a osázení součástek nám vznikl skutečný model křižovatky. Jak vidíme z obrázku, na modelu je umístěno 5 portů typu MLW20G, dále diody jako světelné signalizace, tlačítka pro chodce a 3 přepínače. Porty MLW20G Obrázek 32. Popis modelu Tlačítka pro chodce LED diody jako světelné signalizace Přepínač Automatický provoz Přepínač Mimo provoz Přepínač Start/Stop 39
7 Řízení modelu 7.1 Režimy řízení Po připojení modelu pomocí propojovacích kabelů k řídící jednotce můžeme tento model řídit. K řízení nám slouží přepínače v režimech START/STOP, MIMO PROVOZ, AUTOMATICKÝ PROVOZ a tlačítka pro chodce. Vlastnosti jednotlivých režimů: Přepínač START/ STOP režim START aktivuje světelnou křižovatku. K aktivaci modelu dojde, pokud je zapnutý některý z režimů automatický provoz nebo mimo provoz. Jestliže jsou zapnuty oba tyto režimy, nedojde k aktivaci modelu. Režim STOP zastaví běh programu, tudíž všechny semafory budou vypnuty. Přepínač AUTOMATICKÝ PROVOZ po zapnutí tohoto režimu je křižovatka v běžném automatickém provozu. Přepínač MIMO PROVOZ po zapnutí tohoto režimu budou na všech semaforech blikat oranžová světla. Tlačítka pro chodce dojde-li ke stisknutí jakéhokoliv tlačítka umístěného u přechodu, objeví se na semaforu pro chodce zelená, taktéž se objeví zelená i na protější straně. V případě, že nebylo tlačítko pro chodce stisknuto, se zelená na semaforu pro chodce i na protější straně neobjeví. Signalizace zelené na semaforu pro chodce na protější straně je z důvodu symetricky rozložení přechodů na modelu. Nastavení jednotlivých režimů přepínačů a časové schéma řízení automatického provozu křižovatky vidíme v tabulkách. 40
Tabulka 3: Řízení režimů křižovatky Start/STOP MIMO PROVOZ AUTOMATICKÝ PROVOZ REŽIM KŘIŽOVATKY 0 0 0 Vypnuté semafory 0 0 1 Vypnuté semafory 0 1 0 Vypnuté semafory 0 1 1 Vypnuté semafory 1 0 0 Vypnuté semafory 1 0 1 V běžném automatickém provozu 1 1 0 Na semaforech blikají oranžová světla 1 1 1 Vypnuté semafory Tabulka 4: Časové schéma automatického režimu Fáze 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.(1.) Čas (s) 0 5 8 10 12 22 24 34 SEMAFOR Hlavní silnice (auta) Vedlejší silnice (auta) červená 1 1 1 1 0 0 0 1 oranžová 0 0 0 0 1 0 1 0 zelená 0 0 0 0 0 1 0 0 červená 0 0 0 0 0 1 0 0 oranžová 0 0 0 0 1 0 1 0 zelená 1 1 1 1 0 0 0 1 41
8 Testování modelu Všechny světelné signály na semaforech byly otestovány zvlášť. Testování probíhalo programově. Funkčnost všech tlačítek a přepínačů byla zjištěna ihned po zapojení modelu k řídící jednotce. Na vstupních kartách se totiž zobrazí zelená signalizace, pokud je tlačítko nebo přepínač aktivní. Model byl plně funkční. Pro oživení modelu byl napsán řídící program. 8.1 Řídící program Program byl napsán v jazyku LAD ve vývojovém prostředí SIMATIC Manager od společnosti Siemens. Celý řídící program je obsažen v příloze. 8.1.1 Část kódu pro řídící program 1. Na obrázku vidíme podmínku pro zobrazení červené signalizace na vedlejší silnici pro auta. Obrázek 33. Část kódu řídícího programu 42
2. Zde jsou uvedeny podmínky pro zobrazení oranžové signalizace na semaforech pro auta na hlavní silnici. Obrázek 34. Část kódu řídícího programu 3. Obrázek níže nám zobrazuje podmínky pro začátek oranžové. Obrázek 35. Část kódu řídícího programu 43
9 Existující modely V této kapitole bude věnována pozornost na několik existujících modelů křižovatek. 1. Model křižovatky od pana Filipa Timuláka,Vyšší odborná a střední průmyslová škola Varnsdorf. Obrázek 36. Existující model č. 1 2. Model křižovatky od pana Petra Klimeše, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství. Obrázek 37. Existující model č. 2 44
3. Model křižovatky, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství. Obrázek 38. Existující model č. 3 4. Model křižovatky, Střední škola Centrum odborné přípravy technické Kroměříž. Obrázek 39. Existující model č. 4 45
10 Závěr 10.1 Zhodnocení práce Cílem práce bylo vytvoření modelu křižovatky do předmětu Programovatelné automaty na Vysoké škole polytechnické v Jihlavě. Model bude sloužit jako laboratorní pomůcka, jenž umožní studentům seznámit se s problematikou automatizovaného řízení, která hraje v dnešní době tak významnou roli. Dále je model názornou ukázkou přesné křižovatky v běžném provozu, kdy je bezobslužně a automaticky řízena. Model je ovládán programovatelným automatem SIMATIC S7 300, který se v dnešní době řadí mezi elitu těchto řídicích systémů. Model obsahuje konektory typu MLW20G, které jsou kompatibilní i s automatem WAGO, která vlastní škola. Náklady na výrobu modelu byly přibližně 500 Kč. Realizací a úspěšným zprovozněním modelu za pomocí řídícího programu byly cíle bakalářské práce splněny. 10.2 Problémy a jejich řešení Na začátku práce po sestavení řídícího automatu se mi nedařilo nastavit správnou komunikaci PLC s počítačem. Po nastudování odborných materiálů se mi ale časem podařila komunikace úspěšně zvládnout. Škola vlastní program Eagle Free, který umí pouze desky o velikosti 80 100 mm. Model má velikost 200 300 mm. Tudíž za hlavní problém jsem považoval, v jakém softwaru budu vytvářet návrh desky plošných spojů. Návrh desky jsem nakonec vytvořil v programu Word. Dále po připojení modelu k PLC a otestování modelu jsem zjistil špatně fungující přídavnou výstupní kartu automatu, které ovládaly část modelu. Tento problém se mi nepodařil odstranit, a proto jsem musel použít drátové propojky a tímto způsobem překlenout špatně fungující výstupní kartu. 10.3 Možnosti rozšíření práce Práce by se dala v budoucnu rozšířit o další světelné signalizace a umožnit ovládání modelu křižovatky přes internet. 46
Seznam použité literatury [1].JANŮ, ONDŘEJ. MODELY SOUSTAV EDU-MOD. 2011. Brno. Dostupné z: http://autnt.fme.vutbr.cz/szz/2011/bp_janu.pdf [2].JURÁNEK, Antonín. VÝUKA NÁVRHOVÉHO SYSTÉMU EAGLE. 2004. Dostupné z: http://www.semach.cz/pdf/eagle.pdf [3].KLIMEŠ, Petr. Model dopravní křižovatky: Model of traffic lights crossroads. Brno: Vysoké učení technické, Fakulta strojního inženýrství, 2009. Dostupnéz WWW:http://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=17489 [5].ŠMEJKAL, Ladislav. PLC a automatizace. 1. vyd. Praha: BEN - technická literatura, 2005, 207 s. ISBN 80-730-0087-3. [6].ŠMEJKAL, Ladislav; MARTINÁSKOVÁ, Marie. PLC a automatizace 1. Praha: BEN, 2009. 224s. ISBN 978-80-86056-58-6. [7].TIMULÁK, Filip. ŘÍZENÍ MODELU SVĚTELNÉ KŘIZOVATKY POMOCÍ PLC AUTOMATU. 2010. Varnsdorf. Dostupné z WWW: http://fsinet.fsid.cvut.cz/stretech/2010/stretech_2010_sbornik/pdf/1140.pdf [8]. ZEZULKA, František, Petr FIEDLER a Zdenek BRADÁČ. Prostredky prumyslové automatizace.brno,2002.dostupné z WWW: http://www.spsei.cz/att/soubory/prostredky_prumyslove_automatizace.pdf [9]. ZEZULKA, František, Zdeněk BRADÁČ, Petr FIEDLER, Pavel KUČERA a Radek ŠTOHL. Programovatelné automaty. 2003. Brno. Dostupné z WWW: http://www.vaeprosys.cz/dokumentace/programovatelne_automaty/programovatel ne_automaty-skripta_fekt_vut_brno.pdf 47
Seznam citací [1]. ŠMEJKAL, Ladislav, Zuzana PROKOPOVÁ a Josef KOVÁŘ. PLC hardware - ELE [online]. [cit. 2011-11-05]. Dostupné z WWW: http://www.spszl.cz/soubory/plc/plc_hardware_ele.pdf. [2]. Co se skrývá pod označením PLC?. VOJÁČEK, Antonín. Automatizace.hw.cz [online]. [cit. 2011-11-12]. Dostupné z WWW: http://automatizace.hw.cz/co-seskryva- pod-oznacenim-plc. [3].BURGET, Pavel. Řídicí systémy a PLC [online]. 2005. [cit. 2011-11-20]. Dostupné z WWW: http://support.dce.felk.cvut.cz/pra/prednasky/pra01.pdf. [4]. Řídicí systémy Simatic pro moderní automatizaci. [online]. [cit. 2011-11-30]. Dostupné z: http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=30312 [5].Digitální vstupně/vstupní moduly (S7-300). [online]. [cit. 2011-12-03]. Dostupné z WWW:http://www.helmholz.cz/index.php?stranka=produkty. [6].Adaptér PPI /USB pro SIMATIC S7-200, galvanicky oddělený. [online]. [cit. 2011-12-10]. Dostupné z WWW: http://www.foxon.cz/adapter-ppiusb-pro-simatics7200-galvanicky-oddeleny-p-855.html. [7].POV-Ray. [online]. [cit. 2011-12-21]. Dostupné z WWW: http://cs.wikipedia.org/wiki/pov-ray. 48
Seznam použitých zkratek PLC DPS LED USB AI AO DI DO CPU OPLC MPI AC DC EPROM COM POV-Ray SDL GND VCC HW Programovatelný logický automat Deska plošných spojů Light Emitting Diode Universal Seriál Bus Analog input Analog output Digital input Digital output Central Procesor Unit Operator panel & Programmable Logic Controller Multipoint interface Alternating current direct current Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory Component Object Model Persistence of Vision Ray-Tracer Scene description language Graduated neutral density Voltage controlled current Hardware 49
Seznam obrázků Obrázek 1. Wago... 11 Obrázek 2. Siemens Simatic S7-300 a S7-400... 11 Obrázek 3. TECOMAT TC500... 12 Obrázek 4. Modulární Simatic S7 300... 12 Obrázek 5. Zdroj a procesor SIMATIC S7 300... 14 Obrázek 6. Vstupní / výstupní modul... 16 Obrázek 7. Sestavení vstupních / výstupních karet... 16 Obrázek 8. MPI rozhraní... 17 Obrázek 9. Moduly Simatic S7-300... 18 Obrázek 10. Hardwarová konfigurace... 19 Obrázek 11. Určení rozsahu adresy karty... 20 Obrázek 12. Adresy vstupních / výstupních karet automatu... 21 Obrázek 13. Grafické znázornění vstupů a výstupů PLC... 25 Obrázek 14. Návrh vzhledu modelu křižovatka... 26 Obrázek 15. Schéma testovací desky... 28 Obrázek 16. Návrh DPS v Eaglu... 28 Obrázek 17. 3D obraz testovací desky... 29 Obrázek 18. Reálný obraz testovací desky... 30 Obrázek 19. Funkčnost testovací desky... 30 Obrázek 20. Realizace propojovacího kabelu... 33 Obrázek 21. Vnitřní struktura konektoru ML20G... 33 Obrázek 22. Schéma č. 1...34 Obrázek 23. Schéma č. 2.....35 50
Obrázek 24. Schéma č. 3.....35 Obrázek 25. Schéma č. 4.....35 Obrázek 26. Schéma č. 5... 35 Obrázek 27. Rozmístění součástek... 36.Obrázek 28. Návrh DPS... 37 Obrázek 29. Vyleptaná deska s rezistory... 37 Obrázek 30. Vytváření samolepky... 38 Obrázek 31. Finální podoba samolepky... 38 Obrázek 32. Popis modelu... 39 Obrázek 33. Část kódu řídícího programu... 42 Obrázek 34. Část kódu řídícího programu... 43 Obrázek 35. Část kódu řídícího programu... 43 Obrázek 36. Existující model č. 1... 44 Obrázek 37. Existující model č. 2... 44 Obrázek 38. Existující model č. 3... 45 Obrázek 39. Existující model č. 4... 45 Seznam tabulek Tabulka 1:Vstupy PLC... 22 Tabulka 2: Výstupy PLC... 23 Tabulka 3: Řízení režimů křižovatky... 41 Tabulka 4: Časové schéma automatického režimu... 41 51
Seznam příloh 1) Program pro řízení modelu křižovatky 2) Seznam proměnných a jejich popis 3) Rozpiska materiálů 52