Systemy Czasu Rzeczywistego (SCR) Sterowniki PLC – „szybkie wprowadzenie”, oraz SIEMENS S7-1200 podstawowe informacje Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Kierunek: Automatyka i Robotyka Studia stacjonarne I stopnia: rok II, semestr IV Opracowanie: dr inż. Tomasz Rutkowski Katedra Inżynierii Systemów Sterowania © SCR 2015

1

Czym jest PLC? PLC (ang. Programmable Logic Controler) jest komputerem przemysłowym, który pod kontrolą systemu operacyjnego czasu rzeczywistego: zbiera pomiary za pomocą modułów wejściowych z cyfrowych i analogowych czujników oraz urządzeń pomiarowych na bazie zebranych danych o sterowanym procesie, wykonuje program użytkownika zawierający zakodowany algorytm sterowania oraz przetwarzania danych generuje sygnały sterujące odpowiednie do wyników obliczeń algorytmów sterowania i przekazuje je poprzez moduły wyjściowe do elementów i urządzeń wykonawczych

dodatkowo PLC ma możliwość: transmisji danych za pomocą modułów i łączy komunikacyjnych realizacji funkcji diagnostyki programowej i sprzętowej © SCR 2015

2

Głowni producenci PLC GE Fanuc Siemens, Allen-Bradley, Omron, Mitsubishi, Schneider SAIA …

© SCR 2015

Warunki przemysłowe Zanieczyszczenia Szeroki zakres temperatur Wilgotność Hałas Zakłócenia elektromagnetyczne Drgania, wstrząsy, uderzenia Zapylenie Duże odległości Duża liczba urządzeń Wycieki Naprężenia mechaniczne Opary, oleje © SCR 2015

Cechy sterowników programowalnych Wysoka niezawodność Praca w warunkach przemysłowych Praca w czasie rzeczywistym Łatwość programowania Elastyczność Uniwersalność Skalowalność Możliwości komunikacyjne

© SCR 2015

Sterowniki PLC a Normy Bujny rozwój oraz popularność sterowników PLC w przemyśle Rozwiązania sterowników PLC proponowane przez różnych producentów różnią się między sobą, co dla użytkowników i projektantów systemów automatyki stanowiło dużą niedogodność i powodowało koniczność dostosowywania do różnych wymagań Stąd pierwsze próby oraz przekonanie „środowiska” (producenci i użytkownicy) o konieczności ich standaryzacji © SCR 2015

6

Sterowniki PLC a Normy - Norma IEC 1131 W 1993 Międzynarodowa Komisja Elektrotechniki (ang. International Electrotechnical Commission - IEC) wypracowała normę IEC 1131 „Programmable Controllers” Norma IEC 1131 składała się z pięciu części: Część 1: Informacje ogólne (ang. General Information) Część 2: Sprzęt i wymagania testowe (ang. Equipment Requirements and Tests) Część 3: Języki programowania (ang. Programing Languages) Część 4: Wytyczne dla użytkownika (ang. User Guidelines) Część 5: Wymiana informacji (ang. Messaging Service Specifications)

© SCR 2015

7

Sterowniki PLC a Normy - Norma IEC 61131 W 1998 IEC wypracowała normę IEC 61131 „Programmable Controllers” Norma IEC 61131 stanowi kontynuację normy IEC 1131 oraz szeregu innych standardów Norma IEC 61131 odwołuje się do 10 innych norm: IEC 50, IEC 559, IEC 617-12, IEC 617-13, IEC 848, ISO/AFNOR, ISO/IEC 646, ISO 8601, ISO 7185, ISO 7498 W Europie norma IEC 61131 została przyjęta bez zmian i oznaczona EN 61131 © SCR 2015

8

Sterowniki PLC a Normy - Norma IEC 61131 Norma IEC 61131 składała się z następujących części: Część 1: Postanowienia ogólne (ang. General Information) Część 2: Wymagania i badania dotyczące sprzętu (ang. Equipment Requirements and Tests) Część 3: Języki programowania (ang. Programing Languages) Część 4: Wytyczne dla użytkownika (ang. User Guidelines) - statusTR Część 5: Wymiana informacji (ang. Communications) aktualnie: „Messaging service specification” Część 6: Bezpieczeństwo funkcjonalne (ang. Functional Safety) Część 7: Programowanie sterowania z wykorzystaniem zbiorów rozmytych (ang. Fuzzy Control Programming) Część 8: Wytyczne do implementacji języków programowania (ang. Guidelines for the Application and Implementation of Programming Languages) - status TR Część 9: Single-drop digital communication interface for small sensors and © SCR 2015 actuators (SDCI) (status DRAFTU)

9

Czym jest PLC? W normie IEC 61131-1 sterownik programowalny zdefiniowano jako: „cyfrowy system elektroniczny do stosowania w środowisku przemysłowym, który posługuje się pamięcią programowalną do przechowywania zorientowanych na użytkownika instrukcji w celu sterowania przez cyfrowe lub analogowe wejścia i wyjścia szeroką gamą maszyn i procesów”

© SCR 2015

10

Czym jest PLC? W normie IEC 61131 do oznaczenia sterowników programowalnych wykorzystuje się skrót: PC – Programmable Controller PLC – Logic w nazwie ma jedynie znaczenie historyczne, dodatkowo odróżnienie od: PC – Personal Computer

© SCR 2015

11

Podstawowy podział sterowników PLC Kompaktowe

Modułowe

© SCR 2015

Moduły sterowników PLC Komunikacyjne: RS232, RS485, CAN, Ethernet, … Wejść dyskretnych: 12 VDC, 24 VDC, 110 ÷ 250 VAC, szybkie liczniki

Wyjść dyskretnych: przekaźnikowe, tranzystorowe, PWM (ang. Pulse–Width Modulation);

Wejść analogowych: 0 ÷ 10 V, -10 ÷ 10 V, 0 ÷ 20 mA, 4 ÷ 20 mA

Wyjść analogowych: prądowych, napięciowych Sterowniki serwonapędów Specjalizowane: np.: zawierające układy do pomiaru temperatury z wykorzystaniem termopar i czujników Pt100 i inne

Symulatory wejść …. © SCR 2015

Ogólna struktura funkcjonowania systemu sterowania PLC (IEC 61131-1) Inne systemy

Funkcje zasilania

Funkcje komunikacyjne

Funkcje przetwarzania sygnałów Wykonywanie programu użytkowego

Funkcje interfejsu CZŁOWIEK - MASZYNA Funkcje programowania testowania i usuwania błędów

Funkcje systemu operacyjnego Funkcje pamięci programu użytkownika Funkcje pamięci danych użytkownika

Funkcje interfejsu czujników i urządzeń wykonawczych

Maszyna / Proces © SCR 2015

14

Coś więcej o IEC 61131-3 Część 3 normy IEC 61131 dotyczy: sposobu pracy sterownika – typowo jako cykl pracy typów danych języków programowania

© SCR 2015

15

Coś więcej o IEC 61131-3 - cykl pracy sterownika Start, inicjalizacja Obsługa wejść zapisanie obrazu wejść sterownika do odpowiedniego obszaru pamięci wewnętrznej sterownika związanej z wejściami

Wykonanie programu sterującego użytkownika program użytkownika operuje na wartościach zapisanych w pamięci sterownika (czyta obszary pamięci wejściowej, czyta/modyfikuje obszary pamięci wyjściowej, czyta/modyfikuje obszary pamięci ogólnego przeznaczenia), wyniki swojej pracy

Obsługa wyjść przypisanie stanu zmiennych z obszaru pamięci wyjściowej fizycznym wyjściom sterownika

Diagnostyka, komunikacja

Stop © SCR 2015

16

Coś więcej o IEC 61131-3 - cykl pracy sterownika

Praca PLC w trybie stałego czasu cyklu umożliwia zastosowanie całej gamy dyskretnych algorytmów sterowania (opisanych równiami różnicowymi czy transformatą z) gwarancja zakończenia przetwarzania danych w odpowiednim czasie mechanizm okresowego (z zadanym okresem) przetwarzania danych

© SCR 2015

- cykl pracy sterownika - implementacja opóźnień

Na potrzeby implementacji algorytmów dyskretnych konieczna jest znajomość przeszłych wartości sygnałów np.: e(k-1), e(k-2) … u(k-1), u(k-2) … y(k-1) …

Przy cyklicznym działaniu sterownika, aktualna wartość wybranej wielkości będzie w kolejnym cyklu wartością opóźnioną o jeden okres © SCR 2015

- cykl pracy sterownika - implementacja opóźnień

Początek cyklu e := y – z ; … … … … e_opoznione := e; e_opoznione

// wyliczona aktualna wartość uchybu

// w następnym cyklu pod zmienną // znajdzie się wartość aktualnego uchybu

Koniec cyklu © SCR 2015

Coś więcej o IEC 61131-3 -

© SCR 2015

Podstawowe typy danych

Coś więcej o IEC 61131-3 -

© SCR 2015

Podstawowe typy danych

Coś więcej o IEC 61131-3 - języki programowania W część 3 normy IEC 61131 określono dwie podstawowe grupy języków programowania: języki tekstowe: lista rozkazów (IL), tekst strukturalny (ST) języki graficzne: funkcjonalny schemat blokowy (FBD), schemat drabinkowy (LD)

Część 3 normy IEC 61131 przedstawia ujednoliconą koncepcję programowania sterowników PLC tak aby użytkownik korzystając z wprowadzonych w normie reguł, był w stanie programować bez „większych trudności” różne systemy PLC

© SCR 2015

22

Coś więcej o IEC 61131-3 - języki programowania – tekst strukturalny (ST) - operatory

© SCR 2015

Coś więcej o IEC 61131-3 - języki programowania – tekst strukturalny (ST) – instrukcje przykłady

© SCR 2015

Siemens S7S7-1200 - podstawowe informacje -

© SCR 2015

Siemens S7-1200 - typy sterowników sterownik zasilany napięciem zmiennym AC (85 – 264 VAC), wejścia zasilane napięciem stałym DC (24 VDC) wyjścia typu przekaźnikowego (5 – 30 VDC lub 5 – 250 VAC) dwa wejścia analogowe (niesymetryczne) o zakresie od 0 do 10 V (rozdzielczość 10 bitów); płytkę sygnałową wyposażona w jedno wyjście analogowe typu napięcie/prąd o zakresie +/- 10 V (rozdzielczość 12 bitów), lub 0 – 20 mA (rozdzielczość 11 bitów)

© SCR 2015

26

Siemens S7-1200 - cykl pracy

© SCR 2015

27

Siemens S7-1200 - tryby pracy CPU

W trybie STOP CPU nie wykonuje programu i użytkownik może wczytać projekt. W trybie STARTUP wykonywany jest jednokrotnie startowy OB (jeśli istnieje). W fazie startowej trybu RUN nie są obsługiwane przerwania. W trybie RUN regularnie jest powtarzany cykl programu. Mogą się pojawiać przerwania i są przetwarzane w dowolnym miejscu cyklu programu. © SCR 2015

28

Siemens S7-1200 - typy danych

© SCR 2015

Podstawowe typy danych, więcej w dokumentacji

29

Siemens S7-1200 - obszary pamięci

© SCR 2015

30

[1] Możliwe

stany: 0 – Inactive, 1 – Pretuning, 2 – Finetuning, 3 – Automatic, 4 - Manual

Siemens S7-1200 - obszary pamięci - adresowanie Różne obszary pamięci mają swoje unikalne adresy Bezwzględny adres składa się z: identyfikatora obszaru pamięci (takich jak I – obszar wejść, Q, - obszar wyjść, M – obszar pamięci bitowej ogólnego przeznaczenia). rozmiaru danych dostępowych („B” dla bajtów, „W” dla słów (Word), „D” dla podwójnych słów (DW)) adresu danych. Typ Bool Bool Real Word Word Int DWord © SCR 2015

Adres %I0.0 %Q0.0 %MD1 %IW64 %QW80 %MW5 %MD7

Opis Obraz wejścia procesu, bajt 0, bit 0 Obraz wyjścia procesu, bajt 0, bit 0 Obszar pamięci bitowej, podwójne słowo, adres 1 Obraz wejścia procesu, słowo, adres 64 Obraz wyjścia procesu, słowo, adres 80 Obszar pamięci bitowej, słowo, adres 5 Obszar pamięci bitowej, podwójne słowo, adres 7 31

[1] Możliwe

stany: 0 – Inactive, 1 – Pretuning, 2 – Finetuning, 3 – Automatic, 4 - Manual

Siemens S7-1200 - obszary pamięci - adresowanie Lp.

Typ zmiennej

Liczba bitów

Ilość zajmowanych rejestrów

1 2 3 4 5

Real DWord Word Int Bool

32 32 16 16 1

4 4 2 2 Jeden bit rejestru

© SCR 2015

32

Siemens S7-1200 - programowanie w SCL SCL (ang. Structured Control Language) to język tekstowy „podobny” do Pascala SCL jest implementacją języka ST (ang. Structured Text) z normy IEC 61131-3

© SCR 2015

33

Siemens S7-1200

© SCR 2015

- programowanie w SCL

34

Siemens S7-1200 - programowanie w SCL Koncepcja struktury programu użytkownika

© SCR 2015

35

Siemens S7-1200 - programowanie w SCL Koncepcja struktury programu użytkownika (obsługa zdarzenia przerwania)

© SCR 2015

36

Siemens S7-1200 - programowanie w SCL Koncepcja struktury programu użytkownika (np. 3 poziomowe zagnieżdżanie)

© SCR 2015

37

Siemens S7-1200 - programowanie w SCL

© SCR 2015

38

Siemens S7-1200 - TIA PORTAL TIA Portal to środowisko projektowe systemów automatyki przemysłowej. W ramach jednolitego środowiska instalowane są różne narzędzia projektowe wymagane przez użytkownika takie jak oprogramowanie dla sterowników, paneli obsługi operatorskiej, czy napędów. Ułatwia tworzenie złożonych aplikacji, poprzez zarządzanie wspólną bazą danych projektowych, oraz projektowanie rozbudowanych sieci komunikacyjnych. Wbudowane narzędzia edycyjne przyspieszają tworzenie aplikacji przez programistę. Wyposażony w dwa widoki: Portalu (Portal view) i Projektu (Project view) © SCR 2015

39

Siemens S7-1200 - TIA PORTAL

© SCR 2015

40

Siemens S7-1200 - TIA PORTAL

© SCR 2015

41

Siemens S7-1200 - programowanie w SCL – TIA PORTAL Dodawanie bloków programu przez użytkownika

© SCR 2015

42

Siemens S7-1200 - programowanie w SCL – TIA PORTAL Typy bloków OB do organizacji programu użytkownika

© SCR 2015

43

Siemens S7-1200 - programowanie w SCL – TIA PORTAL

© SCR 2015

44

Siemens S7-1200 - programowanie w SCL – TIA PORTAL

© SCR 2015

45

Siemens S7-1200 - programowanie w SCL – TIA PORTAL Definicja wejść, wyjść i zmiennych utworzonego bloku funkcyjnego

© SCR 2015

46

Siemens S7-1200 - programowanie w SCL – TIA PORTAL Programowanie w SCL

© SCR 2015

47

Siemens S7-1200 - programowanie w SCL – TIA PORTAL Program przykładowego regulatora dwustanowego ze strefą nieczułości

© SCR 2015

48

Siemens S7-1200 - programowanie w SCL – TIA PORTAL Dodanie utworzonego bloku funkcyjnego do bloku Main (metoda przeciągnij i upuść, automatycznie powstaje w projekcie blok danych)

© SCR 2015

49

Siemens S7-1200 - programowanie w SCL – TIA PORTAL Zdefiniowanie i przypisanie zmiennych, wejść i wyjść do utworzonego bloku

© SCR 2015

50

Siemens S7-1200 - programowanie w SCL – TIA PORTAL Name

Data type

Adress

Opis

1 Temp

Int

%IW64

Temperatura w pomieszczeniu

2 Grzej

Bool

%Q0.0

Dyskretny sygnał sterujący z regulatora

3 Grzej_Analog

Int

%QW80

Analogowy sygnał sterujący z regulatora

© SCR 2015

51

Siemens S7-1200 - programowanie w SCL – TIA PORTAL

© SCR 2015

52

Siemens S7-1200 - specyfikacja analogowych wejść/wyjść Analogowe wejścia (AI)

© SCR 2015

53

Siemens S7-1200 - specyfikacja analogowych wejść/wyjść Analogowe wejścia (AI)

© SCR 2015

54

Siemens S7-1200 - specyfikacja analogowych wejść/wyjść Napięciowa reprezentacja wejść analogowych (AI)

© SCR 2015

55

Siemens S7-1200 - specyfikacja analogowych wejść/wyjść Napięciowa reprezentacja wejść analogowych (AI)

© SCR 2015

56

Siemens S7-1200 - specyfikacja analogowych wejść/wyjść Analogowe wyjścia (AQ)

© SCR 2015

57

Siemens S7-1200 - specyfikacja analogowych wejść/wyjść Napięciowa reprezentacja wyjść analogowych (AQ)

© SCR 2015

58

Przykładowy system sterowania z ciągłym obiektem sterowania i cyfrowym regulatorem wyposażonym w układ wejść i wyjść analogowych

© SCR 2015

Schemat systemu sterowania z ciągłym obiektem i cyfrowym regulatorem

Urządzenia wykonawcze

D/A Moduł wyjść analogowych

Obiekt sterowania (w ogólności ciągły)

PLC

Urządzenia pomiarowe

A/ D Moduł wejść analogowych

Wartość zadana © SCR 2015

Przetwarzanie sygnałów analogowych w PLC z użyciem modułów we/wy

PLC

We analogowe

Wy analogowe

CPU

0011111001000001110010 11 Sygnał analogowy np. -10V÷10V 0÷10V 0÷20mA 4÷20mA © SCR 2015

Sygnał analogowy np.

Sygnał cyfrowy %I INT

%M INT lub DINT lub REAL …

%Q INT

-10V÷10V 0÷10V 0÷20mA 4÷20mA

Przetwarzanie sygnałów analogowych w PLC z użyciem modułów we/wy

PLC

We analogowe

Wy analogowe

CPU

0011111001000001110010 11 Sygnał analogowy np.

%Q j.i. działki (INT)

%M j.i. działki (INT) lub po konwersji j. procesowe np. temperatura (REAL)

j.i. = jednostki inżynierskie © SCR 2015

j.i. działki (INT)

%I j.i. V lub mA

Sygnał analogowy np.

Sygnał cyfrowy

j.i. V lub mA

Bibliografia IEC 61131-3 „Programmable Controllers - Programing Languages” PN-IEC 1131-1 „Sterowniki programowalne – Postanowienia ogólne” PN-EN 61131-3 „ Sterowniki programowalne – Języki programowania” SIEMENS S7-1200 „Easy book”. 2012. Kasprzyk J. „Programowanie sterowników przemysłowych”. WNT 2006. www.PLCopen.org

© SCR 2015

63

Dziękuję za uwagę !!!

© SCR 2015

64