AUTOMATIZACE A ROBOTIZACE I. Učební text pro žáky 3. ročníku oboru 23-41-M/001 Strojírenství 1
3 Řídící jednotky linek 3.1 Programovatelné logické automaty Realizace logického řízení pomocí konstrukčního propojování elektronických integrovaných obvodů není pro praxi příliš výhodná, protože funkce takového řízení jsou jednou pro vždy dané. Nalezneme je pouze v jednodušších jednoúčelových aplikacích. Mnohem více se uplatňují univerzální logické řídicí systémy, jejichž funkce je možné programovat podle potřeby. Jsou to tzv. programovatelné logické automaty, zkratkou PLC (Programmable Logic Controler). PLC je číslicové elektronické zařízení, které využívá programovatelnou paměť ke skladování instrukcí a k realizaci určitých funkcí jako je logika, posloupnost, časování, výpočty k řízení strojů a procesů. Jejich technické možnosti jsou různé. Jednoduché přístroje mohou pracovat pouze s dvouhodnotovými signály a provádět pouze logické operace, složitější mohou zpracovávat i analogové informace a provádět numerické operace a obvykle mívají už zabudované i číslicové regulační algoritmy, takže mohou být zapojeny přímo do regulačních smyček. To už se o nich hovoří jako o tzv. procesních počítačích. I jednoduché automaty jsou běžně vybaveny komunikačními jednotkami, které umožňují jejich propojení mezi sebou navzájem nebo s nadřazenými řídicími úrovněmi. Pro programování automatů se používají buď jednoúčelové programovací aparáty, pomocí kterých se programuje obvykle v základním kódu automatu, nebo běžné osobní počítače se speciálním programovým vybavením, které bývá už uživatelsky příjemné. Nově se používá i označení PLC přenosů (Power Line Communication - komunikace po elektrických rozvodech). Porovnání dat v řízených procesech Elektrárna před 25 lety 100 měřených a akčních veličin (bodů) Analogové regulátory a instrumentace Centrální regulátor pro monitorování a protokolování Dnešní tepelná elektrárna 10 000 bodů 8 000 měřicích, 2 000 akčních 1 000 řídicích počítačů Jaderná elektrárna Třikrát více bodů než konvenční elektrárna 2
Elektrická distribuční síť 100 000 až 10 000 000 bodů Informační tok k personálu 5 kbit/s, kapacita je 25 bit/s Bez počítačů 200 lidí (s počítači stačí 3) Počítačové zpracování je nezbytné, aby se současné procesy daly řídit! Obr. 80 Ilustrační Obr. 81 Příklad jednoduchého řízení PLC 3
Obr. 82 PLC Obr. 83 Schéma začlenění PLC Bloková struktura programovatelného automatu je znázorněna na obr. 84. Základem PLC jsou v principu tři funkční bloky: zpracování informace, vstupy/výstupy a paměť. Ostatní bloky jsou podpůrné a doplňkové. 4
Obr. 84 Bloková struktura programovatelného automatu Jednotlivé bloky uvedené na obrázku mají následující funkci: I/O (jednotka řízení vstupů a výstupů) snímá hodnoty vstupních veličin z procesu, konvertuje je do číslicové formy a ukládá do operační paměti; CPU (centrální jednotka) zpracovává informace, tj. podle programu čte z operační paměti hodnoty vstupních a pomocných proměnných, provádí s nimi logické (případně i numerické) operace a výsledky ukládá do operační paměti; RAM (operační paměť s možností čtení i zápisu) slouží k ukládání řídicího programu a hodnot vstupních, výstupních a pomocných proměnných; ROM (paměť pouze pro čtení) obsahuje systémové programy pro činnost automatu, které uživatel nemůže modifikovat; SPEC (speciální funkce) obsahuje modul hodin, časovače, čítače, sekvenční registry a případně algoritmy pro regulace, matematické funkce apod., je-li jimi automat vybaven; COM (komunikace) zajišťuje komunikaci automatu s okolím po sériové lince nebo po speciální komunikační sběrnici; ZDROJ zajišťuje napájení automatu elektrickou energií; BATERIE zálohuje obsah operační paměti při výpadku napájení. Vstupy a výstupy bývají od čidel a ovládacích prvků v technologickém procesu galvanicky odděleny, aby se při průrazu síťového napětí při poškození čidla, pohonu nebo kabelu nezničil i automat. Důležitými funkčními prvky PLC jsou: časovače... slouží k řízení doby trvání operací, jednak v řízeném procesu, jednak v řídícím programu (např. čekání na signál z procesu); časovače mají nastavitelný čas běhu, jsou spouštěny a zastavovány binárním signálem a po proběhnutí nastaveného času dávají na výstupu též binární signál, takže se velice dobře dají zařazovat do kombinační i sekvenční logiky; čítače... slouží k počítání vstupních pulsů nebo k vysílání určeného počtu pulsů na výstup; počet pulsů je předvolitelný, čítače jsou ovládány binárními signály a jejich výstupy jsou rovněž binární signály, takže mohou být také snadno zařazovány do struktur logického řízení; 5
sekvenční registry (nebo se jim také říká posuvné registry)... jsou to posloupnosti bitů, ve kterých je každý bit samostatně adresovatelný, tj. můžeme se na něj v programu odkazovat. Vložení nové informace (logické 0 nebo 1) na vstup sekvenčního registru způsobí, že se tato informace umístí do 1.bitu a obsah všech ostatních bitů se posune o jednu směrem ke konci registru (poslední údaj se ztrácí); tím je možno určitou informaci posunovat a po určeném počtu kroků ji zase vyjmout a zpracovat. Činnost PLC je založena na cyklickém provádění řídícího programu, tzv. skenování. Jeden programový cyklus ( sken ) trvá řádově milisekundy, což zajišťuje dostatečně rychlou reakci řídícího systému na situaci v řízeném procesu. Obr. 85 Provádění řídícího programu 6
Obr. 86 Chod PLC Externí data projdou přes vstupní část a jsou zapsána do datové paměti. Řídící jednotka provede porovnání obsahu operací zapsaných v programové paměti s vnějšími daty zapsanými do datové paměti a zpracuje je. Zpracovaný obsah je zapsán do datové paměti. Po zpracování jsou data skrze výstupní část zapsána do datové paměti a vyslána ven. Paměť PLC Paměť PLC se nachází uvnitř kontrolní jednotky. Dělí se na paměť datovou a programovou. 1. datová paměť Datová paměť kontroluje registry I/O relé, vnitřního relé, časovače, počítadla, atd. Kapacita I/O relé a souborového registru se liší podle druhu kontrolní jednotky a paměťového modulu. Bit Nejmenší jednotkou, kterou se propočítávají reléové signály On/Off se nazývá bit. Jedna adresa relé se nazývá bitová adresa. 1bit je jednotkou, která vyjadřuje 2 stavy: 0- OFF a 1- ON. Kontakty a cívky jsou jedno-bitové, nazývají se bitová zařízení. Bajt Jednotka pro manipulaci s informacemi, 8bitu je 1 bajt. Word Word (slovo) je datová jednotka. 1 word (slovo) jsou 2 bajty (16 bitů). 7
Obr. 87 Schéma datové jednotky 2. Programová paměť Programová paměť je paměť, která zapisuje uživatelský program. Při chodu PLC je postupně načtena od začátku programu a podle obsahu programu zpracována. Kapacita programové paměti závisí na druhu paměťového modulu a je u každého výrobce jiná. Druhy Programová paměť uchovává velké množství příkazů. Existují následující 3 druhy programové paměti. a) RAM+baterie (Random Access Memory) Tato paměť je obsažena přímo v PLC. S touto pamětí lze jednoduše zapisovat a vyvolávat data. Při zkušebním provozu lze jednoduše měnit program. b) EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) Paměť se používá pro zápis a mazání, nepotřebuje baterii pro uchování dat. Jedná se o kazetový typ, proto ji lze rychle vyměnit, a změnit tak chod PLC. c) EEPROM (Electrical Erasable PROM) Paměť se používá pro zápis a mazání. Pro uchování dat nepotřebuje baterii. Stejně jako u paměti EPROM se jedná o kazetový typ. Program pro PLC sestává z jednotlivých příkazů a ty zase z programových instrukcí. Struktura programového příkazu je u všech PLC v podstatě stejná a odpovídá tomuto schématu: podmínka (logický výraz) instrukce (např. nastavení hodnot výstupů nebo obsahu paměti) provedou se pouze tehdy, je-li podmínka splněna (logický výraz má hodnotu logická 1) Automaty různých výrobců používají formálně poněkud odlišných programových příkazů a způsobů programování, ale význam základních příkazů je všude stejný. Určitá nepříjemnost je v tom, že každý výrobce PLC používá svůj programovací software pro PC. I když rozdíly nejsou příliš velké, přece jen jsou podstatné a programátor se musí při přechodu mezi automaty různých výrobců vždy znovu seznamovat s jejich instrukční sadou a s formálními pravidly jejich programování. Kromě programování pomocí instrukcí (tzv. programování v textovém módu) mnozí výrobci dodávají software pro grafické programování, které se provádí pomocí symbolů logických operací popřípadě složitějších funkčních bloků propojovaných spojnicemi představujícími signály. V poslední době dochází k unifikaci těchto programovacích systémů na základě normy IEC 1131-3 (ČSN EN 61131-3). 8
Obr. 88 Zápis řídícího programu (japonské značení) Charakteristiky PLC: velké množství periferií (vstupní a výstupní moduly) 20 100 I/O na 1 CPU, snadné připojení, vysoká hustota kabeláže (centralizované řízení lokální karty vstupů/výstupů), standardní úrovně napěťových a proudových I/ O signálů; robustní konstrukce (odolnost změnám teploty, prachu, špíně, ektromagnetickému poli, vibracím); programování jednoduchý terminál přímo na PLC počítač se sériovou komunikací (laptop) rozhraní k průmyslové komunikační síti sériová komunikace s rychlým a deterministickým přenosem dat cena HW je zanedbatelná vzhledem k ceně SW Senzory a vstupní moduly PLC 9
Vstupní moduly převádějí signály na logické úrovně v PLC. Řadíme sem: detektory přítomnosti předmětů (optické, ultrazvukové, indukční); koncové spínače (mechanické, optické, indukční); tlačítka. Senzory - zařízení pro snímání stavu technologického procesu, kdy nahrazují operátora ve většině situací Digitální senzory optické. Rozlišujeme: reflexní neboli difuzní snímá paprsek odražený od objektu; polarizační snímá paprsek s opačnou polarizací než vyslaný; retroreflexní snímá paprsek odražený od odrazové plochy; s odděleným vysílačem a přijímačem paprsek jedním směrem; s optickými vlákny; s detekcí barev princip rozdílného barevného kontrastu oproti pozadí; enkodéry pro měření rychlosti nebo polohy otáčivého pohybu. Další senzory Ultrazvukové a laserové Detekce i měření vzdálenosti objektů (měří se doba, kdy se vrátí odražený zvukový signál) Interferenční měření měření fázového posuvu přijatého signálu, který interferuje s vyslaným Detekce objektů pomocí pole (indukční elektromagnetické pole) Kapacitní využívající elektrostatické pole (pro kovové i nekovové předměty, detekce hladiny v nádobách, atd.) 10
4 Bezpečnostní zařízení linek Obr. 89 Kvalita bezpečnosti 4.1 Bezpečnostní světelná závora Světelná závora je optické zařízení, které se skládá z těsně uspořádaných složených světelných paprsků. Vzájemnému rušení se předchází pomocí jejich skenování v pořadí. Pokud nějaký objekt (jako například ruka či celé tělo) přeruší paprskovou osu, do bezpečnostní jednotky řídícího systému stroje je poslán signál zastavit a předejde vážným zraněním. Obr. 90 Bezpečný prostor na pracovišti 11
Obr. 91 Princip snímání Obr. 92 Detekční prostor Nejdůležitější vlastnosti světelné závory: 1. umožňuje bezkontaktní detekci; 2. umožňuje detekci předmětu velikosti ruky ; 3. dobrá provozuschopnost a udržovatelnost; 4. postupné snímání eliminuje rušení a zajišťuje vysokou spolehlivost; 5. zaručená bezpečnost díky detekci v celé oblasti. 12
Chráněná výška Rozdíl výšky nejvyššího a nejnižšího paprsku plus vzdálenost od horního a spodního paprsku, ve které je ještě možné detekovat nejmenší detekovatelný předmět. Obr. 93 Detekční schopnost Bezpečná vzdálenost Bezpečná vzdálenost je minimální vzdálenost osy paprsku světelné závory k nejbližšímu nebezpečnému místu tak, aby stroj úplně zastavil než se na toto místo dostane obsluha stroje. Světelná závora se instaluje na bezpečnou nebo delší vzdálenost! Nebezpečná oblast stroje Bezpečná vzdálenost Osa paprsku Vysílač Přijímač Obr. 94 Bezpečná vzdálenost 13
Výpočet bezpečné vzdálenosti D=KxT+C Obr. 95 Schéma pro výpočet D: bezpečná vzdálenost [mm] K: přibližovací rychlost [mm/s] T: celkový čas odezvy [s] (T=t1+t2) t1: čas odezvy bezpečnostní světelné závory t2: doba zastavení celého zařízení C: dodatečná vzdálenost [mm] (C=8x(d-14) při d 40) (C=850 při d 40) d: rozlišení světelné závory [mm] detekční schopnost Příklad výpočtu bezpečné vzdálenosti pro typ SF4 AH přibližovací rychlost : K = 2000 mm/s detekční schopnost : d = 30 mm čas odezvy závory : t1 = 11 ms čas zastavení : t2 = 50 ms D = 2000. (0,011 + 0,05) + 8(30 14) = 25 mm Základní technické údaje : Typové označení počet paprskových cest chráněná výška odstup paprsků detekční schopnost provozní rozsah SF4 AH 24-T SF4-AH64-T 24 64 510 mm 1310 mm 20 mm neprůhledný předmět 30 mm 0,3 až 7 m Obr. 96 Řada SF4-AH**-T 14
Obr. 97 Správná montáž snímače Pro potlačení rušení instalujeme skupiny snímačů tak, aby nevysílaly signál ve stejném směru. Obr. 98 Příklad správné instalace (z hlediska potlačení rušení) Snímače jsou instalovány těsně vedle sebe. Pokud v této situaci všechny vysílače vysílají stejným směrem, je nebezpečí vzájemného rušení vysoké. 15
Obr. 99 Příklad špatné instalace (z hlediska potlačení rušení) 4.2 Bezpečnostní ovládání dveří Spínač je namontován na dveřích ochranné klece. Je propojen s automatem, který funguje pouze pokud jsou dveře uzavřené. Aby se zabránilo neúmyslnému sepnutí, lze spínač ovládat pouze prostřednictvím zvláštní západky, není tedy možné jej aktivovat běžně dostupnými nástroji, například šroubovákem. Spínač je navíc vybaven nuceným přerušovacím kontaktem a signál k zastavení je schopen vyslat do řídicího modulu i v případě spečení kontaktu. Obr. 100 Bezpečnostní spínač dveří Obr. 101 Schéma konstrukce 16
Údržbář Obr. 102 Zabránění nechtěnému uzamčení pracovníků v nebezpečné oblasti. Obr. 103 Použití nouzové rukojeti 4.3 Systém Lock-out/Tag-out Účel: zajistit bezpečnost při údržbě, opravách apod. Lock out = lock znamená uzamčení. Uzamčení vypínače, ventilu, kliky apod. ve stavu, který zajistí nemožnost spuštění či uvolnění energie (elektřina, kinetická, hydraulická, pneumatická, chemická, termální apod.) Tag out = tag znamená parafa. Cedulka Na vědomost se dává, že Jan Novák je ten, kdo pracuje uvnitř zařízení, a tudíž by ses neměl snažit toto zapínat. 17
Obr. 104 Systém Tag out 18
4.4 Požárně bezpečnostní zařízení 4.4.1 Zařízení pro požární signalizaci v TPCA Elektrická požární signalizace (EPS) - (v celé TPCA) Zařízení pro detekci hořlavých plynů a par (Lakovna, Montáž / QC / Audit) TLAČÍTKOVÝ HLÁSIČ EPS Obr. 105 Zařízení pro signalizaci ČIDLO EPS 4.4.2 Zařízení pro potlačení požáru v TPCA Obr. 106 Zařízení pro potlačení požáru 19
4.4.3 Bezpečnostní značení pro únik osob při požáru Obr. 107 Fotoluminiscenční značení ve všech výrobních halách TPCA 4.5 Ochranné pomůcky Ochranné pomůcky jsou ty, které jsou zapotřebí na zajištění ochrany těla při práci. Obr. 108 Ochranné pomůcky 20