MIKROPOČÍTAČE

MIKROPOČÍTAČE -PLC ( PA ) SYSTÉMY
8-1
Poznámky
8
PLC ( PA ) SYSTÉMY
Programovatelný automat je uživatelský programovatelný řídicí systém přizpůsobený pro
řízení průmyslových a technologických procesů nebo strojů. Nejčastěji se označuje
zkratkou PLC (Programmable Logic Controller). Česká zkratka, která se teprve začíná
používat, je PA (Programovatelný automat).
Původně byly navrženy k řešení úloh logického řízení, často jako přímá náhrada pevné
reléové logiky.
V současných aplikacích se zvyšuje podíl úloh regulačního typu, monitorování i úloh
měření.
8.1 PA se skládá z
•
centrální procesorové jednotky,
•
systémové paměti,
•
uživatelské paměti,
•
vstupních a výstupních jednotek pro připojení řízeného systému,
•
komunikačních jednotek pro komunikaci se souřadnými i nadřazenými řídicími
systémy.
Navzájem jsou propojeny systémovou sběrnicí.
Řídicí algoritmy jsou realizovány uživatelským programem, který může být zapsán
v různých programovatelných jazycích a je uložen v uživatelské paměti PA.
Poznámky
MIKROPOČÍTAČE -PLC ( PA ) SYSTÉMY
8-2
Poznámky
Obsahuje posloupnost instrukcí, kterou procesor vykonává cyklicky. Chování PA je tedy
dáno v podstatě zaměnitelným programem, u reléových systémů bylo chování určeno
strukturou zapojení, která byla nezměnitelná.
8.2 Třídění PA- dle různých hledisek
Kompaktní PA (KPA) - menší - měly původně pevně danou konfigurací integrovaných
modulů a byly uzavřeny v jednom pouzdře. Pouzdro se montuje přímo do výrobku, je
snaha o určitý stupeň modularity a je možno i u malých aplikací přizpůsobit sestavu.
Typickými aplikačními oblastmi jsou např. řízení klimatizačních zařízení a technického
vybavení v budovách, ovládání garážových vrat, zvedacích plošin, mycích linek,
prodejních automatů, balicích strojů apod. KPA mohou ale sloužit i jako komponenty
v distribuovaných řídicích systémech.
Modulární PA jsou vhodné pro automatizační úlohy středního a velkého rozsahu. Je
tvořen v podstatě pevným procesorovým jádrem s napájecím zdrojem umístěným v rámu,
ke kterému se přes sběrnici připojují místní i vzdálené periferní jednotky. Kromě i
analogové vstupně výstupní jednotky bývá možnost volby jednotek pro rychlé čítání,
polohování, nejrůznější typy komunikace, regulaci, i pro speciální funkce. U úloh většího
rozsahu je důležitá problematika MMI (Man Machine Interface), tedy rozhraní mezi
člověkem a strojem, případně technologickým procesem. Mělo by být dostatečně
uživatelsky vstřícné s vizualizací a diagnostikou chyb. Nezbytným doplňkem MPA jsou
také ovládací panely, datové terminály a vizualizační prostředky.
Poznámky
MIKROPOČÍTAČE -PLC ( PA ) SYSTÉMY
8-3
Poznámky
Úloha programovatelného automatu v systémech řízení
Při dopředném řízení působí PA na řízený objekt jednosměrně, jen jej ovládá a
nekontroluje dosažený stav ručním řízením, člověk - operátor. Může plnit úlohy i
v automatizovaném, automatickém systému řízení, kdy povely pro automat poskytuje
nadřazený řídicí systém.
Při zpětnovazebním řízení získává řídicí systém zpětnou informaci o stavu řízeného
objektu. Zpětnovazební řízení je typické pro regulační úlohy. Za zpětnovazební řízení ale
můžeme považovat i logické řízení, při kterém na objekt působíme jen dvouhodnotovými
povely typu „vypni - zapni“ a zpracováváme i zpětnovazební informace dvouhodnotového
charakteru. I zpětnovazební řízení může být ruční, automatizované nebo plně automatické.
Poznámky
MIKROPOČÍTAČE -PLC ( PA ) SYSTÉMY
Poznámky
8.3 BLOKOVÉ SCHÉMA TYPICKÉHO PA
Poznámky
8-4
MIKROPOČÍTAČE -PLC ( PA ) SYSTÉMY
8-5
Poznámky
8.4 POČÍTAČOVĚ ŘÍZENÁ VÝROBA (CIM)
Uplatnění programovatelných automatů v pyramidě řízení podniku - na všech úrovních
jedna až tři, hlavní oblast uplatnění na úrovni jedna.
Plánování výrobních a
podnikových zdrojů
4.
MRP/ERP
Řízení/sledování výroby
3.
MES
Řízení/sledování
výrobní buňky
2.
SUPRVIZE/SCADA
1.
PŘÍMÉ ŘÍZENÍ (PLC, DCS, RTU, aj.
MRP/ERP - Manufacturing/Enterprice Resource Planning
MES - Manufacturing Execution System
SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition
PLC - Programmable Logic Controller
DCS - Digital Control System
RTU - Real Time Unit
Poznámky
Řízení stroje/
zařízení
MIKROPOČÍTAČE -PLC ( PA ) SYSTÉMY
8-6
Poznámky
8.5 Zařazení programovatelného automatu mezi řídicí systémy
Relé a kontakty versus PA
Relé, stykače a tlačítka jsou v některých případech nenahraditelné. Rozsáhlejší funkce se
kontaktní a reléovou technologií již nerealizují, svěříme je důsledně programu PA.
Regulátory versus PA
Rozdíl se postupně stírá, pracují číslicově a hranice je neostrá. Výrobci PA postupně
expandují do aplikačních oblastí dosud vyhrazených pro regulátory. Tradiční výrobci
regulátorů své PA uzpůsobují i pro logické řízení. Např. inteligentní regulátory, které mají
přidány logické funkce schopny pracovat v různých režimech.
Personální počítače a versus PA
Přímé řízení technologických procesů standardním PC - přinejmenším riskantní a
diskutabilní - komerční elektronika.
Průmyslové počítače - problémem je vysoká cena. Standardním řešením je použití
distribuovaného systému, kdy osobní počítač je použit ve velínu nebo na dispečerském
pracovišti a do drsného průmyslového prostředí jsou předsunuty PA. Někteří výrobci
nabízejí počítačový modul kompatibilní s PC.
8.6 Hlavní charakteristika PA
Výhody : rychlá realizace, spolehlivost, odolnost a diagnostika. Snadná přizpůsobitelnost
řešení (nekončící změny v zadání, dodatečné požadavky, schopnost komunikace
v podřízené úrovni, v souřadné úrovni i směrem k systémům nadřízeným.
Poznámky
MIKROPOČÍTAČE -PLC ( PA ) SYSTÉMY
8-7
Poznámky
Nevýhody: prodloužení odezvy, odezva PLC bývá delší - je dána dobou průchodu
programu. Nespojitost v čase - algoritmus je vykonáván cyklicky. Uvnitř intervalu
nereaguje na změny vstupních hodnot. Může být příčinou hazardů a chyb, ztráty krátkého
vstupního impulsu, nevyhodnocení hrany signálu apod. Postupnost zpracování - program
PLC je vykonáván v pořadí, v jakém je zapsán.
8.7 Typy PA
8.7.1 Hledisko konfigurace PLC
Skutečnou sestavu volí uživatel tak, aby co nejlépe přizpůsobil svůj PLC požadavkům
řešené úlohy. Některé typy modulů mohou chybět, jiné se mnohonásobně opakují.
V krajním případě čistě binární (logický) systém nebo naopak jako výhradně analogový.
Sestavy čistě vstupní, systém pro měření, předzpracování dat i čistě výstupního. Aplikace
bez fyzických vstupů a výstupů, jen jako inteligentní, programovatelný komunikační
adaptér.
8.7.2 Hledisko velikosti a konstrukčního uspořádání
Mikro PLC
Nabízejí pevnou sestavu vstupů a výstupů, kompaktní provedení, malé rozměry a nízkou
cenou. Jejich funkční a programátorský komfort je obvykle redukován na nezbytné
minimum, komunikační možnosti mnohdy chybějí.
Kompaktní PLC
Nabízejí určitou i když omezenou variabilnost. Uživatel může k základnímu modulu
připojit jeden nebo několik přídavných modulů z omezeného sortimentu s pevnou
Poznámky
MIKROPOČÍTAČE -PLC ( PA ) SYSTÉMY
8-8
Poznámky
kombinací vstupů a výstupů, např. modul s 8 binárními vstupy a 8 binárními výstupy,
modul rychlých čítačů, analogový vstupní a výstupní modul, modul regulátoru, apod.
8.7.3 Modulární PLC
Větší volnost ve volbě konfigurace, možnost zasouvat libovolné moduly, jeden systém
může být tvořen několika rámy, rozšiřovací moduly mohou být připojeny na vzdálenosti
stovek metrů.
8.7.4 Programovatelné pracovní stanice
Sdružují funkce PLC a operátorského panelu.
Výhody - integrace funkcí, praktické konstrukční provedení, výhodný poměr cena/výkon,
široké možnosti uplatnění i tam, kde bylo použití tradičního PLC s odděleným
operátorským panelem dosud cenově nedostupné.
Nejvýznamnější světoví výrobci (řazeno abecedně): ABB, Allen-Bradley, AEG, B+R,
Eberle, Klöckner Moeller, Festo, GE, H+B, Idec, Matsushita, Mitsubishi, Omron, Saia,
Siemens Telemechanique.
8.8 Konstrukční a elektrické provedení PA
Pouzdro, základní modul, napájení
Kompaktní PA jsou umístěny buď v jednom pouzdře nebo dovolují v malé míře rozšíření.
Většinou se montují přímo na lištu DIN do rozvaděče.
V základním modulu modulárních PA (rám, nosná deska, lišta) bývají umístěny: centrální
procesorová jednotka (CPU), napájecí jednotka, systémová a napájecí sběrnice a několik
Poznámky
MIKROPOČÍTAČE -PLC ( PA ) SYSTÉMY
8-9
Poznámky
volných pozic pro zásuvné periferní jednotky. Pokud počet volných pozic v základním
modulu nepostačuje, bývají k dispozici rozšiřující moduly. Rozšiřující moduly se připojují
pomocí tzv. expanzní jednotky.
Centrální procesorová jednotka - je jádrem celého PA, určuje jeho výkonnost, je
jednoprocesorová nebo i víceprocesorová. U víceprocesorových systémů bývají použity
matematické koprocesory nebo vstupně výstupní procesory, někdy též komunikační
procesory,
pro
urychlení
práce
používá
rychlý
bitový
procesor.
Důležitým
charakteristickým parametrem CPU je operační rychlost posuzovaná podle tzv. doby
cyklu, což je doba zpracování 1000 (1k) logických instrukcí. Pohybuje se řádově od
desítek milisekund až k desetinám milisekund.
Paměťový prostor se může dělit na paměť uživatelskou, systémovou a paměť dat. Do
uživatelské paměti se ukládá uživatelský program. Tato paměť bývá typu EPROM nebo
EEPROM s kapacitou řádově od desítek kB až po jednotky MB u modulárních PA, u
kompaktních PA spíše v desítkách kB. V systémové paměti je umístěn systémový
program. Tato paměť bývá rovněž typu EPROM. V samostatné jednotce může být
umístěna přídavná uživatelská paměť. V paměti dat typu RAM jsou umístěny uživateli
dostupné registry, zápisníkové registry, čítače, časovače a většinou i vyrovnávací registry
pro obrazy vstupů a výstupů. Počet těchto registrů výrazně ovlivňuje možnosti PA.
Adresovatelný prostor vymezený pro vstupy/výstupy omezuje počet připojitelných
periferních jednotek.
Důležitým parametrem jsou rozsahy čítačů
a časovačů, jeden nebo i více sériových
komunikačních kanálů. Většina automatů má dostupné i hodiny reálného času, případně i
s kalendářem.
Poznámky
MIKROPOČÍTAČE -PLC ( PA ) SYSTÉMY
8 - 10
Poznámky
8.9 Binární vstupní jednotky
Binární vstupní jednotky slouží k připojování prvků pro tvorbu vstupů s dvouhodnotovým
charakterem výstupního signálu např. tlačítka, přepínače a koncové spínače.
Vstupní binární modul zajišťuje většinou tyto funkce:
•
ochranu všech konkrétních vstupů PA před poškozením či zničením
•
chybným napětím či přepětím odfiltrování krátkodobých rušivých impulsů (např.
pomocí zpoždění signálu)
•
galvanické oddělení obvodů vstupního modulu od centrální jednotky (pomocí
optočlenů)
•
signalizace stavu vstupů (pomocí LED diod na čelním panelu jednotky).
U některých automatů je připraven prostor pro popis jednotlivých vstupů. Nejčastější
jednotky pro vstupy stejnosměrné - v rozsazích 5 V, 12 V, 24 V, 48 V, střídavé v rozsazích
24 V, 48 V, 115 V a 230 V.
8.10 Binární výstupní jednotky
Binární
výstupní
jednotky
slouží
k připojování
nejrůznějších
akčních
členů
s dvouhodnotovým charakterem vstupního signálu, např. různá optická i akustická
signalizační zařízení, cívky relé, stykačů, solenoidových ventilů, elektromagneticky
ovládaných pneumatických či hydraulických rozvaděčů.
Binární výstupní jednotka většinou plní tyto funkce:
Poznámky
MIKROPOČÍTAČE -PLC ( PA ) SYSTÉMY
8 - 11
Poznámky
•
galvanické oddělení signálu přicházejícího z CPU od signálu předávaného
z výstupní jednotky akčním členům (pomocí optočlenů)
•
zesílení signálu na potřebnou úroveň
•
ochrana výstupů před zkratem
•
signalizace stavu výstupů (pomocí LED diod).
Dodávají se v různých variantách a provedeních:
•
pro stejnosměrné spínané napětí (nejčastěji 24 V, 48 V) se spínacími prvky
tranzistorovými typu NPN i PNP
•
pro střídavé spínané napětí 24 - 250 V AC, 24 - 48 V AC, 115 ÷ 230 V se
spínacími prvky triakovými
•
pro stejnosměrné i střídavé napětí (do 250 V AC/60V DC) se spínacími prvky
reléovými.
8.11 Kombinované jednotky binárních vstupů a výstupů
V sortimentu binárních jednotek bývá i kombinovaný modul binárních vstupů a výstupů.
Může
být
využit
na
optimální
doladění
sestavy,
ale
především
je
určen
k multiplexovanému buzení a snímání matice tlačítek do rozsahu 8 x 8 nebo až 16 pater
plochých zadávacích přepínačů.
Analogové vstupní jednotky
Analogové vstupní jednotky zprostředkují kontakt programovatelného automatu se
spojitým prostředím. Lze k nim připojit např. snímače teploty, vlhkosti, tlaku, síly, hladiny,
Poznámky
MIKROPOČÍTAČE -PLC ( PA ) SYSTÉMY
8 - 12
Poznámky
rychlosti, ale i inteligentní přístroje s analogovými výstupy. Důležitou součástí je A/D
převodník s rozsahem 8 nebo 12 bitů. Sortiment bývá široký, např. jednotky pro určité typy
čidel - pro termočlánky. U specializovaných jednotek je poněkud potlačena univerzálnost,
zato jsou optimálně přizpůsobeny svému určení a poskytují tak levnější a kvalitnější řešení.
Analogové moduly s galvanickým oddělením dovolují zvýšit odolnost systému proti
rušení, v některých situacích jsou principiálně nenahraditelné.
Analogové výstupní jednotky
Analogové výstupní jednotky slouží pro ovládání různých akčních členů či zařízení se
spojitým charakterem vstupního signálu, jako jsou např. spojité servopohony, frekvenční
měniče, ale třeba i ručkové měřící přístroje apod. Nezbytnou součástí je D/A převodník,
většinou mívá rozsah 8 nebo 12 bitů. Analogové výstupy jsou buď napěťové nebo
proudové. Proudové výstupy mohou být aktivní nebo pasivní. U aktivních nemusí mít
připojený akční člen svůj zdroj proudu a je napájen přímo z analogového proudového
výstupu automatu. Připojený akční člen má v tomto případě omezený maximální odpor.
Čítačové jednotky
Rychlé čítače, odměřovací a polohovací jednotky jsou určeny k měření a řízení polohy,
k řízení dráhy a rychlosti pohyblivých částí strojů a manipulačních mechanismů. Čítačové
jednotky jsou určeny k čítání pulsů, jejichž perioda je srovnatelná nebo kratší, než je
smyčka programu PA.
Polohovací jednotky
polohovací jednotky jsou určeny pro snímání polohy a řízení jedné nebo dvou souvislých
os, případně pro řízení pohybu po naprogramované dráze. Parametry pohybu jsou
zadávány programově z PA.
Poznámky
MIKROPOČÍTAČE -PLC ( PA ) SYSTÉMY
8 - 13
Poznámky
Komunikační jednotky
Důležitou vlastností PLC je schopnost komunikovat se vzdálenými moduly vstupů a
výstupů, s podsystémy i nadřízenými systémy, s operátorskými panely a s jinými
inteligentními přístroji, s počítači a s jejich sítěmi a tak vytvářet distribuované systémy.
Komunikační jednotky většinou rozšiřují počet asynchronních sériových komunikačních
kanálů U některých systémů jsou k dispozici i jednotky dálkových přenosů umožňující
dálkové přenosy dat přes modem nebo přes radiomodem (40 km), RS 232 (15 m), RS 422,
RS 485 i 2 km.
Speciální jednotky
Mohou mít specializované moduly pro řešení regulačních úloh (např. regulátor PID) nebo
pro řešení úloh s využitím fuzzy logiky a fuzzy regulace. Kuriozní moduly, např.
Klöckner - Moeller dodávají moduly pneumatických výstupů. Pneumatické ovládání má
význam pro výbušné prostředí. Firma Allen Bradley má jednotku pro vstup z CCD
kamery.
Počítačové jednotky
Počítačový modul, kompatibilní s PC. V něm lze standardními počítačovými prostředky
řešit úlohy, které nejsou pro PLC typické, např. složité a rychlé výpočetní algoritmy,
grafické a geometrické úlohy, zpracování a archivace velkého množství dat, databázové
úlohy, výkonné komunikace, napojení PLC do počítačových sítí, připojení standardních
počítačových periferií, paměťových karet PCMCA, apod.
Poznámky