Arhitektura programirljivih logičkih kontrolera

1. Arhitekturaprogramirljivih logičkih kontrolera

2. Kod sustava automatizacije složenijih tehničkih procesa informacijsko-komunikacijski sustav izgrađuje se modularno i hijerarhijski • I sama procesna računala kod ovakvih se sustava izvode najčešće modularno i nazivamo ih programirljivim logičkim kontrolerima • Modularnost omogućuje: – smanjenje cijene razvoja sklopovskog dijela sustava – uz visoku pouzdanost modula -- pouzdanost sustava u cjelini – korištenje gotovih programskih blokova pri programiranju modula

3. Tipična arhitektura programirljivih logičkih kontrolera – Organizacija procesora i memorije – Organizacija ulazno-izlaznih jedinica • Način rada PLCa • Glavni svjetski proizvođači

4. Prije pojave PLCa se za upravljanje tehničkim procesima u industriji upotrebljavalo fiksno ožičene relejne ormare • Pri složenijoj logici upravljanja pritom se pojavljuju problemi – Složeno ožičenje – Traženje pogreške kod neispravnog funkcioniranja sustava – Naknadne preinake sustava – Vijek trajanja mehaničkih kontakata – Prostorno zauzeće – Potrošnja energije Slika

5. Primjer:

6. Razvoj digitalnih računala tijekom 50-tih i 60-tih motivira da se relejna logika zamijeni računalom • Ta računala potpuno trebaju funkcionalno zamijeniti relejnu logiku te istodobno otkloniti njihove nedostatke • Zahtjevi: – Jednostavno programiranje (prikladno za pogonsko osoblje) – Jednostavno pronalaženje grešaka u programu – Jednostavno održavanje – Pouzdan rad u industrijskim uvjetima

8. Krajem 60-tih tvrtka BedfordAssociates proizvodi ModularDigitalController (MODICON) kao prvi komercijalni PLC – Programiranje u početnim PLCima odgovaralo je crtanju relejne sheme koju se PLCom zamjenjuje (ljestvičasti dijagrami) • U 70-ima razvojem procesora i PLCi postaju računski moćniji (arhitekturi se nadodavaju vremenski sklopovi, brojila, mogućnost obavljanja aritmetičkih operacija) • Također se pojavljuju mogućnosti povezivanja PLCa komunikacijskim mrežama i obradbe analognih procesnih signala • U 80-ima pojavljuju se programski paketi koji omogućuju programiranje PLCa s osobnih računala umjesto putem ručnih programiralica ili za to predviđenih terminala

9. Konačno, 90-te godine donose standardizaciju (IEC 61131, EN 50170,...) – po pitanju programskih jezika za programiranje PLC-a: lista instrukcija, funkcijski blokovski dijagram, ljestvičasti dijagram – na području mrežnih komunikacijskih protokola: mogućnost povezivanja komponenata različitih proizvođača (Profibus)

10. 2000.-te – napredak komunikacijskih tehnologija: – Profibus-DP mreža omogućuje prijenos informacija s digitalnih i analognih senzora u PLC u stvarnom vremenu – drastično smanjenje troškova kabeliranja – Profinet mreža koja spaja svojstva Profibus-DP mreže za rad u stvarnom vremenu sa svojstvima Industrial Ethernet mreže za prijenos većih količina podataka • Automatizacija u industriji postala je bez PLCa nezamislivom

12. Procesor PLCa • Posjeduje mogućnost aritmetike i s cjelobrojnim i s realnim podacima • Po broju dostupnih instrukcija bliži CISC procesorima • Sastoji se od – Registara (akumulatori, adresni registri, registri sa zastavicama,...) – svi registri nisuvidljiviprogrameru – Aritmetičko-logičke jedinice (ALU) – aritmetički/logički obrađuje podatke iz akumulatora i rezultat vraća u jedan od akumulatora – Upravljačke jedinice – dekodira instrukcije i sinkronizira mehanizme u procesoru

13. Operacijski sustav PLC-a • Proizvođači s PLCom isporučuju i njegov operacijski sustav (firmware) koji je pohranjen u interni ROM • Po priključenju napajanja na PLC, procesor počinje izvoditi instrukcije operacijskog sustava – Procesor će izvoditi i korisnički program samo onda kada je u tzv. RUN modu rada – U tzv. STOP modu rada obavljaju se isključivo naredbe operacijskog sustava • Postojanje operacijskog sustava uvelike olakšava programiranje i rukovanje PLC-om – Spremanje konteksta pri pozivu potprograma i obradi prekida, dijagnostika, očitavanje ulaza, pisanje na izlaze – sve te radnje obavljaju se na razini operacijskog sustava

15. Memorija PLCa i operacijski sustav • Programeru je na razini operacijskog sustava zabranjeno programski pristupati memoriji u kojoj je zapisan kôd – Kod onih dijelova memorije gdje se mogu smjestiti i kôd i podatci, smještaj podataka potrebno je deklarirati • Programski pristup nepostojećoj memorijskoj lokaciji u podatkovnom dijelu RAMadijagnosticira se narazini operacijskog sustava kao greška

17. Optička izolacija

18. Interpretacija digitalnih “1” i “0” • Kod digitalnih ulaza/izlaza PLC-a, “1” i “0” interpretiraju se – naponskim razinama kod istosmjernog napajanja senzora i aktuatora (24 VDC): • -30 V – 5 V: “0” • 13 V – 30 V: “1” – amplitudom napona kod izmjeničnog napajanja senzora i aktuatora (110/220 VAC): • 0 V – 40 V: “0” • 79 V – 260 V: “1” • Ovako široki naponski pojasi omogućuju vrlo robustan prijenos digitalnih signala pri upravljanju i nadgledanju industrijskih procesa

19. Optička izolacija ulaza/izlaza • Električki krugovi digitalnih ulaza/izlaza na pojedinim ulaznim/izlaznim modulima mogu se električki izolirati od svih drugih U/I, te od CPU modula • To se postiže izvedbom zasebnog napajanja za svaki modul i njemu pripadne senzore/aktuatore • Izolacija prema CPU modulu postiže se optičkom spregom, kod koje se s vanjske logike (24 VDC ili 110/220 VAC) prelazi na 5V-tnu logiku

22. Slike digitalnih ulaza/izlaza u RAM-u • Svakom digitalnom ulazu/izlazu pridružena je jedna memorijska lokacija u RAMu PLCa • Digitalni ulazi se u određenim vremenskim trenutcima očitavaju te se ta očitanja upisuju u odgovarajuće memorijske lokacije • Digitalni izlazi u određenim vremenskim trenutcima osvježavaju se trenutnim stanjem njima pripadne memorijske lokacije u RAMu PLCa • Prijenos informacija od CPU do I/O modula i natrag obavlja se komunikacijom u 5V-tnoj logici na stražnjoj sabirnici • Osvježavanja ulaza/izlaza obavljaju se na razini operacijskog sustava

23. Mapiranje digitalnih ulaza/izlaza • Standard IEC 61131-3 predlaže metodu za mapiranje digitalnih ulaza i izlaza PLCa u njegovoj memoriji, koje se proizvođači pridržavaju • Memorija namijenjena mapiranju ulaza/izlaza podijeljena je na – Sliku ulaza – oznaka I (InputImageMemory) – Sliku izlaza – oznaka Q (OutputImageMemory) • Također, dio memorije PLCa predviđen je za interne zastavice, a označava se s M (Internal Memory ili Bit Memory)

26. Pridruženje digitalnih ulaza/izlaza i memorijske slike • Memorijska slika nekog digitalnog ulaza/izlaza predefinirano je vezana s fizičkim mjestom priključka na kojeg se taj digitalni ulaz/izlaz spaja • Moduli digitalnih ulaza/izlaza redaju se nakon CPU modula u tzv. slotove • Adresa kopije nekog digitalnog ulaza jednostavno se određuje preko broja slota u kojem se nalazi pripadni modul i rednog broja pripadnog fizičkog priključka na modulu • Programiranje je dodatno olakšano simboličkim nazivima kojima programer imenuje memorijske lokacije, npr. I0.5 􀃆 “Pokreni_motor”

27. Izvođenje korisničkog programa u PLCu • Korisnički program izvodi se na PLCu samo kada je on u tzv. RUN-modu • Izvođenjem korisničkog programa (kada je PLC u RUNu) koordinira operacijski sustav PLCa • Postoji nekoliko razina posluživanja prekida u PLCu • Kada niti jedan prekid nije aktivan, na najnižoj razini obavlja se korisnički kôd namijenjen neprestanom ponavljanju u tzv. programskom ciklusu (scancycle)

29. Posluživanje prekida • Korisnik programira reakciju na prekid unutar odgovarajućeg potprograma kojeg operacijski sustav poziva kada se dotični prekid dogodi • Postojeprekidi: u zadanovrijeme (time-of-day interrupt), sa vremenski definiranom zadrškom (time-delay interrupt), u pravilnim vremenskim intervalima (cyclicinterrupt)... • Kod složenijih PLCa postoji stotinjak mogućih uzroka prekida • Najviše razine prekida kod PLCa pripadaju prekidima za posluživanje programskih i sklopovskih grešaka – korisniku se i u tom slučaju omogućuje odgovarajuća reakcija (npr. aktiviranje zaštite) • Ulazi/izlazi se ne osvježavaju dok se u ciklusu ne posluže svi prekidi i ne završi izvođenje kôda namijenjenog neprestanom ponavljanju

32. Analogni ulazi • Nazivninaponski ili strujnirasponulaznogsignala može se odabrati između nekoliko standardnih vrijednosti – +/-10 V – 0-10 V – +/-20 mA – 4-20 mA • U industriji se češće upotrebljavaju senzori sa strujnim nego senzori s naponskim izlazom jer su smetnje na prijenosnim vodovima tada manje • Korištenje strujnog raspona 4-20 mA omogućuje i detekciju prekida dovodnih žica senzora odgovarajućom logikom na samom ulaznom modulu

34. Programska podrška za rad s PLCom • U prošlosti su se za programiranje PLCa koristile ručne programiralice • Danas se za tu svrhu uglavnom koriste osobna ili prijenosna računala opremljena odgovarajućim sučeljima i odgovarajućom programskom podrškom • Računalo se serijskom komunikacijskom vezom povezuje s PLCom

35. Programska podrška za rad s PLCom • Na računalu se unutar navedene programske podrške piše program za PLC, definira module i mreže spojene na taj PLC, te parametrira ponašanje PLCa • Istim se programom može promatrati memoriju PLCa u radu te dijagnosticirati greške koje se događaju na PLCu • Neki proizvođači ovu programsku podršku daju besplatno uz sklopovlje, dok se kod nekih ona posebno naplaćuje

36. Glavni svjetski proizvođači PLCa • Allen Bradley (Pico, Micrologicx – kompaktni, SLC500, PLC-5 – modularni) • Klockner Moeller (PS4 – kompaktni, PS416 – modularni) • Matsushita (Pico – kompaktni, FP0, FP1, FP2, FP3, FP10, FP-M – modularni) • Mitsubishi (Alpha, FX – kompaktni, Q – modularni) • Omron (CJ1 – kompaktni, CPM,CS1 – modularni) • Siemens (Logo, S7-200, S7-300, S7-400 – modularni) • Schneider – Modicon (Compact, TSX Micro – kompaktni, Momentum, Premium, Quantum – modularni) • Toshiba (S2E, S2T – modularni)

37. Sažetak (1) • Programabilnilogičkikontroleri (PLCi) se danas neizostavno susreću u industrijskoj automatizaciji • PLC u svojoj arhitekturi sadrži sve osnovne elemente standardnog digitalnog računala • Proizvođači s PLCom isporučuju i operacijski sustav PLCa koji preuzima na sebe mnoge funkcije: – osvježavanje slike digitalnih ulaza i digitalnih izlaza – spremanje konteksta – dijagnostika • Memorija PLCa u pravilu sadrži i RAM i ROM dio

38. Sažetak (2) • Korisnički program na PLCu se izvodi samo u RUN modu rada, i to ponavljajući sljedeće korake – 1. osvježavanje I-memorije trenutnim stanjem digitalnih ulaza – 2. izvođenje kôda za neprestano ponavljanje, prihvaćanje prekida – 3. osvježavanje digitalnih izlaza sadržajem Q-memorije • Moduli digitalnih ulaza i izlaza optičkom spregom izolirani su od stražnje sabirnice kojom se stanja na njihovim priključnicama prenose u memoriju PLCa