Krmilniki

1. Krmilniki • Programabilni logični krmilnik (PLK) (angleško: Programmable Logic Controller - PLC) osnovno orodje za avtomatizacijo industrijskih procesov in naprav. • razvoj pogojen s potrebami po avtomatizaciji proizvodnje in potrebami po spremembah oz. fleksibilnosti te avtomatizacije

2. Pred uporabo PLK-jev za krmiljenje procesov potrebne velike električne omare s fiksno ožičeno logiko in mnočico elektomehanskih relejev ( napake, neprilagodljiva logika) • General Motors ( računalnik namesto relejev za realizacijo logike). V primeru spremembe načina delovanja se tako menja samo program, povezave pa lahko ostanejo iste.

3. Specifikacija zahtev za PLK (1968): • naprava brez gibljivih delov (elektronska izvedba); • računalniška fleksibilnost (možnost reprogramiranja); • zanesljivo delovanje v industrijskem okolju (vibracije, temperatura, prah); • enostavno programiranje in vzdrževanje (uporabljajo elektroinženirji in tehniki). • prva naprava, ki je ustrezala specifikacijam (Gould Modicon) . Uspeh zaradi lestvičnih diagramov (Ladder Logic) za programiranje, kot so jih bili že prej vajeni elektroprojektanti in uporabniki.

4. Prvotne naprave so obdelovale le digitalne signale. Posebno s hitrim razvojem mikroračunalnikov v 70-ih letih, so PLK-ji doživeli razširitev z aritmetičnimi funkcijami, možnostjo pozicioniranja, obdelavo analognih signalov, ipd. • PLK je na mikroprocesorju zasnovana krmilna naprava, ki je bila razvita kot nadomestek relejne logike. V osnovi je namenjena realizaciji sekvenčnega vodenja, omogoča pa tudi reševanje enostavnejših regulacijskih nalog.

5. Mesto PLK-ja pri vodenju procesov • Zaradi množične proizvodnje in uporabe PLK-jev v industriji so ti postali: • relativno poceni; • zelo zanesljivi v delovanju; • enostavni za uporabo (programiranje, montaža in servisiranje).

6. Iz celotnega nabora funkcij sistemov za vodenje, ki so opisane v poglavju 4, uporabljamo PLK-je predvsem za: • logične operacije; • krmiljenje; • zbiranje podatkov za potrebe nadzora; • kot vmesnik za izvajanje daljinskih komand.

7. Glavni sestavni deli PLK-ja • Centralna procesna enota (CPU): en ali več mikroprocesorjev, ki krmilijo delovanje PLK-ja in izvajajo uporabniški program. CPU tudi krmili komunikacije in povezave z drugimi enotami sistema. Sistemski program je shranjen v ROM pomnilniku, spremenljivke v RAM pomnilniku, uporabniški program pa v RAM ali EEPROM pomnilniku.

8. Napajalnik: 220 V AC ali 24 V DC, za napajanje zunanjih enot (relejev, kontaktorjev, sond) običajno potrebujemo ločen (zunanji) napajalnik. • Vhodne enote: sprejem zunanjih signalov (digitalnih in analognih), pretvorbo signalov v nivoje potrebne za nadaljnjo obdelavo in za zaščito CPU pred motnjami iz okolja (običajno optična izolacija in filtri). Stanje digitalnih vhodov se prikazuje z LED diodami - z namenom diagnostike delovanja PLK-ja.

9. Izhodne enote: prenos rezultatov izvedbe lestvičnega diagrama na izhodne signale (digitalne in analogne) in za zaščito CPU pred motnjami iz okolja (običajno optična izolacija). Stanje digitalnih izhodov se običajno prikazuje z LED diodami. OPTICNA IZOLACIJA: integrirno vezje, ki ga sestavljata oddajna infrardeča svetleča dioda, sprejemna foto-dioda ali foto-transistor ter napetostna zapora, ki je običajno steklena in preprečuje spoj sprejemnega in oddajnega dela (do 1500V)

11. Delovanje PLK-ja • osnovna funkcija PLK-ja krmiljenje izhodov na osnovi stanja vhodov.

12. odbiranje digitalnih signalov iz vhodnih modulov in preslikava v pomnilnik (v sliko vhodov) • izvedba oz. vrednotenje celotnega uporabniškega programa • preslikava iz pomnilnika (iz slike izhodov) na digitalne izhodne module.

13. Preslikava na izhode se izvrši šele po vrednotenju celotnega programa. • zaporedje operacij se izvaja zelo hitro. Ta čas imenujemo čas cikla (čas pregledovanja – scanning time) in zavisi od: • hitrosti delovanja mikroprocesorja; • izvedbe materialne opreme, npr. način odbiranja vhodov; • kvalitete izvedbe interpreterja instrukcij programa;

14. dolžine uporabniškega programa; • vrste uporabljenih instrukcij; enostavne vhodno/izhodne instrukcije se izvedejo zelo hitro, medtem ko kompleksne aritmetične in druge podobne instrukcije porabijo veliko več časa. • Zelo dolgi uporabniški programi se običajno izvedejo v manj kot 20 ms. Proizvajalci podajajo okvirni čas, potreben za vrednotenje tisoč (1K) enostavnih instrukcij programa ( groba ocena hitrosti delovanja )

15. Priključitev signalov na PLK • Signale priključimo na PLK preko vhodno/izhodnih enot. Pri tem ločimo digitalne in analogne signale • Digitalni vhodi (običajno 24 V DC) • končna stikala • induktivna stikala • tipke in ročna stikala

16. Digitalni izhodi • Z digitalnimi izhodi vklapljamo npr.: signalne lučke, releje in kontaktorje za pogon motorjev, črpalk, motornih ventilov, elektromagnetne ventile, itd. • Izhodi so različnih tipov in sicer: • relejni: lahko preklapljajo DC (do 100V) in AC napetost (do 240V), običajno do ca 2A na izhod, življenjska doba omejena • tranzistorski: običajno je napetost do 30 V DC, tok do 0.5 A;

17. Analogni vhodi • izvajamo meritve zveznih veličin, kot npr.: temperatura, tlak, pretok, gostota. V industrijskih aplikacijah uporabljamo tokovni signal (0)4-20 mA, včasih pa tudi napetostni 0-10V ali celo mV. • Zahtevana natančnost A/D pretvorbe je običajno 12 bitov (1/4096), hitrost pretvorbe pa manj kot 1ms/kanal za hitre vhode in približno 20ms/kanal za počasnejše vhode.

18. Analogni izhodi • Preko analognih izhodnih signalov krmilimo prikazne instrumente in zvezno delujoče izvršne organe, kot npr.: elektropnevmatske ventile, elektromotorne ventile z lokalnim pozicionerjem, proporcionalne elektomagnetne ventile. • v industrijskih aplikacijah uporabljamo tokovni signal (0)4-20 mA, včasih pa tudi napetostni 0-10V. Zahtevana natančnost D/A pretvorbe je običajno do 12 bitov (1/4096), hitrost pretvorbe pa nekaj ms/kanal. Zaželjena je optična ločitev izhodnih signalov zaradi motenj.

19. Vrste PLK-jev • PLK-ji različnih proizvajalcev: Allen Bradley, Hitachi, Mitsubishi, Omron, Siemens, Telemecanique • Krmilnike lahko razdelimo po namenu in zgradbi • v majhne • srednje • velike

21. Trend v izvedbi PLK sistemov z distribuiranimi vhodno/izhodnimi enotami. PLK je sestavljen samo iz procesne enote in komunikacijskih modulov za povezavo z distribuiranimi enotami. Takšne enote se lahko nahajajo ob izvoru signalov ali pa so celo komunikacijski vmesniki integrirani v samo periferno napravo (npr. merilnik pretoka ali celo končno stikalo). (zmanjša dolžino potrebnih instalacijskih kablov) Komunikacijske povezave so standardizirane, to pa omogoča skupno uporabo distribuiranih enot različnih proizvajalcev

22. Pomožna oprema PLK-jev • Poleg samega PLK-ja imamo običajno priključen na krmilnik še operaterski pult • prikazujemo stanje procesa, • vnašamo parametre • vršimo ukaze kot so npr. zagon stroja. Zmanjšamo potrebno število vhodov (potrebnih za operaterske tipke) in izhodov PLK-ja (potrebnih za signalizacijo)

23. ter izvedemo pregledno javljanje poteka delovanja in alarmiranjeo vhodov (potrebnih za operaterske tipke) in izhodov PLK-ja (potrebnih za signalizacijo) ter izvedemo pregledno javljanje poteka delovanja in alarmiranje. • Pulti so običajno vezani preko serijskega vodila direktno na PLK. Lahko pa so vezani tudi neposredno na komunikacijsko mrežo, ki povezuje med seboj večje število PLK-jev. Na nekatere pulte lahko priključimo tudi pisalnik za izpis poročil.

24. Načrtovanje sekvenčnega vodenja • Dve vrsti logičnih krmilij: Kombinacijska krmilja • stanje vhodnih signalov se neposredno preslika v stanje izhodnih signalov • takšno krmilje ne vsebuje pomnilnih elementov Sekvenčna krmilja • stanje izhodov ni odvisno le od stanja vhodnih signalov, temveč tudi od stanja notranjih pomnilnih elementov • ista kombinacija vhodnih stanj se lahko preslika v različne izhodne kombinacije

25. Kombinacijska krmilja • Realizirana z osnovnimi logičnimi funkcijami • Preklopne funkcije • vhodi so preklopne ali logične spremenljivke, ki lahko zavzamejo dve vrednosti, 0 ali 1 • tudi rezultat lahko zavzame le ti dve vrednosti • Interpretacija logičnih spremenljivk • delovni kontakt releja: x=0 - kontakt je razklenjen (ne prevaja), x=1 - kontakt je sklenjen (prevaja) • delovni kontakt tipke: x=0 - tipka ni pritisnjena, x=1 - tipka je pritisnjena • mirovni kontakt tipke: x=0 - tipka je pritisnjena, x=1 - tipka ni pritisnjena

26. x 1 x 2 y funkcija 1 1 x n y funkcija 2 2 y funkcija m m Zgradba kombinacijskega krmilja • Takšno krmilje sestavlja več preklopnih funkcij • Če znamo preklopno funkcijo izraziti z osnovnimi logičnimi operacijami, znamo funkcijo tudi realizirati • Pravilnostna tabela vrednosti preklopne funkcije pri vseh možnih kombinacijah vrednosti vhodnih logičnih spremenljivk

27. x y x y 1 0 1 1 0 x x x y x x & 1 1 2 1 2 1 y y 0 0 0 x 0 1 0 vhodni register 11011000 maska 01101101 izhod 01001000 2 1 0 0 1 1 1 Osnovne logične operacije • Negacija • Logični in (AND) 'maskiranje'

28. x 1 x x x y ³1 1 1 2 1 x y y 0 0 0 2 x 0 1 1 2 1 0 1 1 1 1 vhodni register 11011000 maska 01101101 izhod 11111101 Osnovne logične operacije /2 • Logični ali (OR) 'maskiranje'

29. x x y 1 2 x x x ³1 0 0 1 1 1 2 1 y y 0 1 0 1 0 0 x 2 1 1 0 x ³1 1 x x y x 1 2 1 0 ³1 0 0 0 y 0 1 0 1 0 0 x ³1 2 1 1 1 x 2 0 Osnovne logične operacije /3 • Negiran ali (NOR) Realizacija AND z NOR

30. x 1 x x x y & 1 1 2 1 x y y 0 0 1 2 x 0 1 1 2 1 0 1 x x 1 1 0 1 2 x x x y =1 1 1 2 1 y y 0 0 0 x 0 1 1 2 1 0 1 1 1 0 Osnovne logične operacije /4 • Negiran in (NAND) • Ekskluzivni ali (XOR)

31. Boolova algebra (preklopna algebra) • Dve vrednosti spremenljivk: 0, 1 • Operacije • disjunkcija (ali, OR): +, ; x + y, x  y • konjunkcija (in, AND): ·, , &; x · y, x  y, x & y • negacija (ne, NOT): , ¬; x, ¬x • Zapis preklopnih funkcij z Boolovo algebro f1=x·z+y·z+x·y, f2=x·z+y·z+x·y·z

32. A A AB AB B B 1 m m 3 1 f = AB+AB AB AB 1 m m 2 0 A A ABC ABC ABC ABC B 1 1 1 B m m m m 6 7 3 2 f = ABC+ABC+ABC+ABC+ABC+ABC ABC ABC ABC ABC 1 1 1 m m m m 4 5 1 0 C C Veitchevi diagrami • Za dve spremenljivki • Za tri spremenljivke npr. npr.

33. A A 0 1 0 1 B B AB AB 0 0 1 m m 0 2 AB AB 1 1 1 m m 1 3 BC BC A 00 01 11 10 A 00 01 11 10 ABC ABC ABC ABC 0 0 1 1 1 m m m m 0 1 3 2 ABC ABC ABC ABC 1 1 1 1 1 m m m m 4 5 7 6 Karnaugh-jev diagram • K-diagram za dve spremenljivki • K-diagram za tri spremenljivke

34. Poenostavljanje • Enolična pravilnostna tabela - različni algebrajski zapisi • Zapise lahko poenostavljamo • s pravili Boolove algebre • zahteva nekaj spretnosti • ne vemo, če je dobljeni zapis minimalen • s sistematično minimizacijo • grafične metode (do 5 vhodnih spremenljivk) • tabelarične metode - poljubno število vh. spremenljivknajbolj znana je metoda Quine McCluskeyzanjo obstajajo računalniški algoritmi

35. Poenostavljanje z Veitchevimi diagrami • Osnova - sosednost kvadratov • sosednja kvadrata se razlikujeta le v eni spremenljivki • kot sosednje štejemo tudi kvadrate na skrajnih robovih neke vrstice ali stolpca • če je v dveh sosednjih kvadratih enica, ju lahko združimo • združitev dveh sosednjih kvadratov eliminira spremenljivko, ki je pri enem negirana, pri drugem pa ne: x·y+x·y = (x+x)·y = 1·y = y

36. A f = ABC+ABC+ABC+ABC+ABC+ABC B 1 1 1 f = AC+BC+AB 1 1 1 C A B 1 1 1 f = BC+AB+AC 1 1 1 C Primeri poenostavljanja Ali na drug način:

37. A 1 1 B 1 1 D 1 1 x 1 1 1 1 x 2 C 1 x 4 1 1 f = x x x +x x x +x x x +x x x x f = AB+BCD+ABCD 1 2 4 1 2 3 2 3 4 1 2 3 4 1 x 3 Primeri poenostavljanja /2 a) b)

38. A B B 1 1 1 1 1 1 E 1 1 1 1 D 1 1 C C f = ACD+BDE+BCDE+ACDE Primeri poenostavljanja /3

39. A & C D A C D f ( ) B & B D E ³1 E f B C D E & A C D E & A Realizacija preklopne funkcije v PLK FBD: LD:

40. CD AB 00 01 11 10 00 1 1 1 01 1 11 = + + + f A B C B C D A BC D A B C 10 1 1 1 = + + + + + + f A B C D A B C D A B C D A B C D A BC D A B C D A B C D = + + f B C B D A C D Poenostavljanje s Karnaughovimi diagrami • Postopek je enak kot pri Veitchevih diagramih • iščemo sosednje kvadrate • Primer:

41. Načrtovanje kombinacijskih krmilij • Besedni opis • Za vsak izhod krmilja • ugotovimo, kateri vhodi nanj vplivajo • zapišemo pravilnostno tabelo • če v tabeli pride do protislovij, je potrebna realizacija s sekvenčnim krmiljem • zapišemo preklopno funkcijo • poenostavimo zapis, če je potrebno • realiziramo preklopno funkcijo v PLK

42. Primer - vrtalni stroj Besedni opis Če deluje stroj v avtomatskem načinu, se motor vrtalnika vrti le tedaj, ko so vrata zaprta. Če deluje stroj v ročnem načinu, se motor vrti tedaj, ko so vrata zaprta, ali pa če so vrata odprta in je vrtalnik v zgornji legi. Spremenljivke x1 - ročni/avtomatski način (0 - avtomatsko, 1 - ročno) x2 - vrata zaprta x3 - vrtalnik v zgornji legi y - pogon motorja

43. = + + y x x x ( x x x ) 1 2 1 2 2 3 x1 x2 1 1 1 1 1 x3 = + y x x x 2 1 3 Primer /2 Direktna rešitev: Pravilnostna tabela x1 x2 x3 y 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 Poenostavljanje Poenostavljena rešitev:

44. Ventilator V (vklop = 1) Električna napetost EN (1 = priključena) Stikalo vrat SV (1 = vrata zaprta) Luč L (vklop = 1) Temperatura T (1 = prekoračena) Stikalo luči SL (1 = vključeno) Grelnik G (vklop = 1) Primer - laboratorijska peč

45. Primer /2 • Besedni opis • Grelnik (G) je vključen, ko je aktivirano močnostno stikalo (EN) in so vrata zaprta (SV) in je temperatura (T) pod mejo. • Ventilator (V) je vključen, ko je vključeno močnostno stikalo (EN) ali ko je temperatura (T) nad mejo, hkrati pa so vrata (SV) zaprta. • Luč (L) je prižgana, ko je vključeno stikalo luči (SL), ali če so vrata odprta.

46. E N S V T G ( ) EN & EN S V V G SV ( ) T >=1 & S L L T V ( ) S V >=1 L SL Primer /3 Izvedba v PLK FBD: LD:

47. Sekvenčna krmilja • Realizirana z osnovnimi logičnimi funkcijami in pomnilnimi elementi • podobnost z asinhronskimi sekvenčnimi digit. vezji • Pogosto lahko enak rezultat dosežemo tako s kombinacijskim kot s sekvenčnim krmiljem • sekvenčno krmilje je enostavnejše -> manjši in enostavnejši program krmilnika • manjša občutljivost na šumne signale in motnje • sistem stabilnih stanj; prehod v novo stanje se izvede le ob določenih pogojih; na ostale spremembe sistem ne odgovarja • enostavnejše odkrivanje napak

48. Sekvenčna krmilja /2 • Izhodi so odvisni od vhodov in notranjih stanj • Notranji pomnilnik z lastnimi stanji • krmilja ne moremo opisati z vhodno/izhodno pravilnostno tabelo • v pravilnostni tabeli nastopijo protislovja - ista kombinacija vhodov da različne izhode • Dve skupini sekvenčnih krmilij • prosto delujoča krmilja - na vhodu se lahko pojavi poljubna kombinacija v poljubnem zaporedju • sekvenčno delujoča krmilja - kombinacije vhodov se vedno pojavljajo v določenem zaporedju

49. Diagrami poteka Osnovni elementi diagrama poteka

50. Primer: dvoročni vklop • Besedni opis: • Krmilje zahteva, da hkrati pritisnemo dve tipki (z vsako roko eno), preden se prične neka avtomatizirana akcija. S tem preprečimo, da bi npr. stiskalnica delavcu stisnila roko. • Krmilje mora odreagirati na vhodno sekvenco (00,11), izhod se torej postavi na 1 le, če se 'hkrati' vključita oba vhoda. Če se najprej vključi en vhod in nato drugi, mora ostati izhod krmilja na vrednosti 0.