regulatory plc
TRANSCRIPT
STEROWANIE PROCESAMI PRZEMYSŁOWYMI W OPARCIU
O STEROWNIKI PLC (BECKHOFF AUTOMATION)
Programmable Logic Controller
dr inż. Paweł Biał[email protected]
Embedded PC 1
STOWARZYSZENIE ELEKTRYKÓW POLSKICH
ODDZIAŁ W SZCZECINIE
www.bitermo.pl
Embedded PC 2
Budowa PLC
STOWARZYSZENIE ELEKTRYKÓW POLSKICH
ODDZIAŁ W SZCZECINIE
www.bitermo.pl
Budowa PLC
• CPU – jednostka centralna + zasilacz
• pamięć użytkowa
a. program
b. dane
• wejście
• wyjście
Redundancja
• sprzętowa
• software
• wizualizacja
Embedded PC 3
CX │ Przegląd modułów
Masters CX1500-Mxx0
Fieldbus interfaces PC interfaces Power supply
CX1020-N0xx
CX1100-000x
Fieldbus Box modules
-0003 Bus Terminals
-0004 EtherCATTerminals
CX1020
-0002 Bus Terminals
CPUUPS
CX1100-0900
CX1100-0910
CX1100-0920
-M750 -M520 -M510 -M310 -M200
RS232-N040
Audio-N020
RS232-N030
DVI/USB-N010-B520 -B510 -B310 -B200
Slaves CX1500-Bxx0
CX1010CX1010-N0x0
RS422-N040
RS232-N030
DVI/USB-N010 -0001
Ethernet-N060
CX1030-N0xx CX1030RS232-N040
Audio-N020
RS232-N030
Ethernet-N060
Ethernet-N060
Audio-N020
DVI/USB-N010
STOWARZYSZENIE ELEKTRYKÓW POLSKICH
ODDZIAŁ W SZCZECINIE
www.bitermo.pl
Embedded PC 4
CX │ Przegląd modułów
CPU + power supply + I/O interface
Bus Terminals
CX9000-1x0x/CX9010-1x0x
CX9000-0x0x/CX9010-0x0xCX9000-xxxx/CX9010-xxxx
DVI/USB
-N010
RS232
-N030
CF
-A001
EtherCAT Terminals
UPS
CX1100-0900
CX1100-0910
CX1100-0920
PC interfaces
RS422/
RS485
-N031
STOWARZYSZENIE ELEKTRYKÓW POLSKICH
ODDZIAŁ W SZCZECINIE
www.bitermo.pl
Embedded PC 5
CX1010 │ Jednostka CPU
Złącze Ethernet
Etykieta stacji
Diody stanu
Magistrala PC/104
Slot Compact Flash
Bateria RTC/ NV RAM Radiator (pasywny)
STOWARZYSZENIE ELEKTRYKÓW POLSKICH
ODDZIAŁ W SZCZECINIE
www.bitermo.pl
Embedded PC 6
Gabaryty obudowy: 100 mm x 19 mm; mocowanie na szynie DIN
19 mm
CX1000 │ Budowa
38 mm
100 m
m
Labelling area: 5 x 15 mm
38 mm
STOWARZYSZENIE ELEKTRYKÓW POLSKICH
ODDZIAŁ W SZCZECINIE
www.bitermo.pl
Embedded PC 7
CX1010-N0xx │ Interfejsy Systemowe
CX1010-N010DVI+USB
CX1010-N020 Audio
CX1010-N030CX1010-N040RS232
CX1010-N031CX1010-N041 RS422/R485
CX1010-N060 Ethernet
STOWARZYSZENIE ELEKTRYKÓW POLSKICH
ODDZIAŁ W SZCZECINIE
www.bitermo.pl
Embedded PC 8
Embedded PC – podsumowanie
Zwarta zabudowa z bezpośrednim wyjściem do
podłączenia szerokiej oferty modułów I/O,
uniwersalne zasilacze I/O; moduły fieldbus
master/slave do innych standardów
komunikacyjnych;
wyjścia DVI/USB do bezpośredniego
podłączenia monitora, bądź EPC zabudowane
w panelu (CP66, CP67); karta CF; magistrala
EtherCAT; integracja modułów safety; jedno
środowisko programowe TwinCAT z własną
wizualizacją pod WinCE
STOWARZYSZENIE ELEKTRYKÓW POLSKICH
ODDZIAŁ W SZCZECINIE
www.bitermo.pl
Embedded PC 9
Teoria-praktyka Matlab/Simulink
STOWARZYSZENIE ELEKTRYKÓW POLSKICH
ODDZIAŁ W SZCZECINIE
www.bitermo.pl
Embedded PC 10
Podział sterowników
STOWARZYSZENIE ELEKTRYKÓW POLSKICH
ODDZIAŁ W SZCZECINIE
www.bitermo.pl
Możliwości obliczeniowe
• nanosterowniki – kilka wejść wyjść
• małe sterowniki – kilka wejśc analogowych kilkadziesiąt cyfrowych
• średnie sterowniki– kilkaset wejść cyfrowych , kilkadziesiąt analogowych
• duże sterowniki – tysiące wejść i wyjść
Konstrukcja
• scentralizowana kompaktowa - zamknięta
• scentralizowana jednokasetowa modułowa
• scentralizowana wielokasetowa
• rozproszona wielokasetowa
Embedded PC 11
Pamięć
STOWARZYSZENIE ELEKTRYKÓW POLSKICH
ODDZIAŁ W SZCZECINIE
www.bitermo.pl
Pamięć
• dane
• program
• ulotna
• nieulotna
Zasilanie
• CPU
• Wejść/wyjść
Zabezpieczenia
• Separacja
• Ex
Program
a. input (rejestry- obraz)
b. program
c. output (rejestry-obraz)
d. czas
e. pierwszy scan
f. Dane liczników, przekaźników
czasowych, dane liczbowe, dane
logiczne
• przerwania
• cykliczne wykonywanie
Embedded PC 12
Pamięć
STOWARZYSZENIE ELEKTRYKÓW POLSKICH
ODDZIAŁ W SZCZECINIE
www.bitermo.pl
Zmienne - zasięg
• lokalne
• globalne
Typy zmiennych
• bool
• int
• real
• time
• string
• word
• byte (8)
• array
Rodzaj zmiennych
• Zmienne systemowe (cpu, moduły …)
• Wejściowe
• Wyjściowe
• Znaczniki –(flagi)
• Liczniki
• Timery
• rejestry
Zapis
• dziesiętny
• binarny
• szesnastkowy
Embedded PC 13
Proces - PLC
STOWARZYSZENIE ELEKTRYKÓW POLSKICH
ODDZIAŁ W SZCZECINIE
www.bitermo.pl
Stany pracy
• programowanie
• stop
• run
Proces
Aktualizacja danych wejściowych
Realizacja programu
Aktualizacja danych wyjściowych
Embedded PC 14
Cykl pracy - pierwszy cykl
STOWARZYSZENIE ELEKTRYKÓW POLSKICH
ODDZIAŁ W SZCZECINIE
www.bitermo.pl
• start
• Test PLC
• Inicjalizacja danych
• Obsługa cykliczna
• Aktualizacja obrazu DI
• Program
• Aktualizacja obrazu DO
• Test PLC
CPU
Zasilanie
Pamięc
hardware
programowanie
zasilanie
częściowa suma kontrolna
Embedded PC 15
Cykl pracy – praca cykliczna
STOWARZYSZENIE ELEKTRYKÓW POLSKICH
ODDZIAŁ W SZCZECINIE
www.bitermo.pl
• start
• Test PLC
• Inicjalizacja danych
• Aktualizacja obrazu DO
• Test PLC
• Obsługa cykliczna
• Aktualizacja obrazu DI
• Program
CPU
Zasilanie
Pamięc
hardware
programowanie
zasilanie
częściowa suma kontrolna
Embedded PC 16
Watchdog
STOWARZYSZENIE ELEKTRYKÓW POLSKICH
ODDZIAŁ W SZCZECINIE
www.bitermo.pl
Restart
Znacznik =1
Program awaryjny
Zabezpieczenie aparaturowe
Embedded PC 17
Języki programowania
STOWARZYSZENIE ELEKTRYKÓW POLSKICH
ODDZIAŁ W SZCZECINIE
www.bitermo.pl
texual languages
instruction list (IL) LD 17
ST lint (* comment *)
GE 5
JMPC next
LD idword
EQ istruct.sdword
STN test
next:
structured text (ST)
IF value < 7 THEN
WHILE value < 8 DO
value := value + 1;
END_WHILE;
END_IF;
Język C
int main ( void )
{ ……..
return 0;
}
grafical languages
function block diagram (FBD)
ladder diagram (LD)
Embedded PC 18
Języki programowania
STOWARZYSZENIE ELEKTRYKÓW POLSKICH
ODDZIAŁ W SZCZECINIE
www.bitermo.pl
grafical languages
function chart (CFC) sequential function chart (SFC)
Embedded PC 19
Sieci przemysłowe
STOWARZYSZENIE ELEKTRYKÓW POLSKICH
ODDZIAŁ W SZCZECINIE
www.bitermo.pl
Topologia
• RS232 jest najprostszym i najbardziej uniwersalnym interfejsem szeregowym, umożliwia przesył danych w
trybie point-to-point, czyli jedynie pomiędzy dwoma urządzeniami. Transfer odbywa się dwiema
jednokierunkowymi liniami danych, RxD (odbieranie) oraz TxD (nadawanie), modulowanych napięciowo w
zakresie -15/+15V w odniesieniu do masy sygnałowej SG: stan niski („0” lub space) odpowiada napięciu
+3..+15V, natomiast stan wysoki („1” lub mark) napięciu -3..-15V (rys. 3.1)
• RS485 stanowi jedna dwukierunkowa linia transmisyjna. Jest to symetryczna dwuprzewodowa magistrala,
modulowana napięciem różnicowym (point-multipoint)
Protokoły
• Adresowanie na poziomie warstwy liniowej – MAC (Media Access Control)
• Adresowanie na poziomie warstwy sieciowej – protokół IP (Internet Protocol)
• Protokół TCP (Transmission Control Protocol)
Embedded PC 20
Sieci przemysłowe
STOWARZYSZENIE ELEKTRYKÓW POLSKICH
ODDZIAŁ W SZCZECINIE
www.bitermo.pl
Systemy sieciowe
• Modbus RTU (rs232 i rs485) i TCP/IP (kapsułkowana do protokołu transportowego TCP )
• Protokół UDP (User Datagram Protocol)
• Modbus Plus
• Profibus (rs485) /DP (jedno urządzenie nadrzędne -wiele podrzędnych) /PA(Ex)/FMS(komunikację węzłów
nadrzędnych )
• DeviceNET - Jest to przemysłowa sieć poziomu urządzeń, oparta, jak Profibus, na trzech warstwach modelu OSI.
Warstwy podstawowe (1 i 2) pochodzą ze standardu CAN – sprzęg elektryczny jest napięciową modyfikacją
połączenia szeregowego RS485 (rys.4.9), a ramka zdefiniowana jest standardem CAN 2.0A (rys.4.10), podobnie
zasada arbitrażu (priorytetowy dostęp CSMA – p.3.2.3). Jak w większości sieci szeregowych występuje podział
na urządzenia nadrzędne (Scanner) i podrzędne (Adapter). Warstwę aplikacyjną stanowi protokół CIP (Common
Industrial Protocol), opracowany przez projektantów Rockwell Automation
• EtherNET/IP jest koncepcyjną modyfikacją klasycznych systemów sieciowych opartych na Ethernet. To
oznacza, że bez przeszkód może być stosowana do realizacji połączeń na poziomie informacyjnym.
Wprowadzona modyfikacja (człon „/IP” – Industrial Protocol)
• ControlNET jest siecią poziomu sterowania w systemach Rockwell Automation
Embedded PC 21
Sieci przemysłowe
STOWARZYSZENIE ELEKTRYKÓW POLSKICH
ODDZIAŁ W SZCZECINIE
www.bitermo.pl
Embedded PC 22
Sieci przemysłowe
STOWARZYSZENIE ELEKTRYKÓW POLSKICH
ODDZIAŁ W SZCZECINIE
www.bitermo.pl
• Architektura komunikacji sieciowej dzieli się na siedem poziomów. Każdy poziom – warstwa - jednego węzła
komunikuje się z tą samą warstwą drugiego węzła i udostępnia swoje zasoby warstwie wyższej. Przesył danych
odbywa się za pośrednictwem warstw poniższych. Podział taki wprowadzony został przez Międzynarodową
Organizację Standaryzacyjną (ang. ISO), w celu usystematyzowania poszczególnych funkcji komunikacyjnych
każdego węzła w sieci komputerowej. Warstwy, począwszy od pierwszej - najniższej, łączącej się bezpośrednio
z kablem, skończywszy na siódmej, współpracującej z oprogramowaniem aplikacyjnym komputera, pełnią
określone funkcje w komunikacji:
• Warstwa fizyczna (1) – zapewnia połączenie elektryczne pomiędzy węzłami. Odpowiada za takie parametry jak
poziomy napięć odpowiadające poszczególnym stanom logicznym, odpowiedni kształt impulsów, zbocza,
modulacja, itp. Warstwa fizyczna opisuje także parametry kabla, jego długość, a także szumy w transmisji. Nie
wprowadza natomiast żadnej ingerencji w strumień danych, ani też nie interpretuje wymienianych danych.
• Warstwa łącza danych (2) - zwana też warstwą liniową, odpowiedzialna jest za konwersję i odbiór paczek danych
(wykrywanie granic, dodawanie odpowiednich znaczników na początku i końcu ramki), oraz czuwanie nad
poprawnością ich wymiany. Warstwę tą można podzielić na dwie podwarstwy (ze względu na wypełniane
funkcję). Jedna odpowiada za dostęp urządzenia do medium transmisyjnego, w przypadku pojawienia się kolizji,
polegającej na próbie jednoczesnego nadawania przez dwa węzły sieci. Druga, zwana podwarstwą łącza
logicznego, jest odpowiedzialna za adresowanie urządzeń na poziomie MAC. Zawiera różne metody kontroli
prawidłowości komunikatów i w razie wykrycia błędu uruchamia odpowiedni mechanizm naprawczy, np.
ponowne przesłanie ramki.
Embedded PC 23
Sieci przemysłowe
STOWARZYSZENIE ELEKTRYKÓW POLSKICH
ODDZIAŁ W SZCZECINIE
www.bitermo.pl
• Warstwa sieciowa (3) – występuje w sieciach o rozgałęzionej topologii, z aktywnymi węzłami
przekierowywującymi dane do odpowiednich podsieci. Odpowiedzialna jest za wyznaczanie trasy przesyłania
komunikatów do zadanego adresata. Powyżej tej warstwy topologia sieciowa nie jest w ogóle widoczna.
• Warstwa transportowa (4) – jest odpowiedzialna za otwieranie i zamykanie połączeń stosowanego typu i
prędkości pomiędzy węzłami. Oprócz tego dzieli długie dane na krótsze komunikaty, co umożliwia równoległe
ich wysłanie za pośrednictwem różnych połączeń.
• Warstwa sesji (5) – kieruje przebiegiem komunikacji, odpowiada za nawiązywanie oraz wznawianie połączeń,
czuwa nad bezpieczeństwem przesyłanych danych. W praktyce warstwa ta jest rzadko używana. Przeważnie
jej funkcje przydziela się warstwie transportowej.
• Warstwa prezentacji (6) – odpowiada za format danych, czyli kompresję oraz kodowanie przesyłanych
informacji, a także szyfrowanie i deszyfrowanie niskopoziomowe.
• Warstwa aplikacji (7) – ostatnia, najbardziej zaawansowana warstwa, w której zaimplementowane są
poszczególne usługi komunikacyjne i związane z nimi protokoły finalne.
Embedded PC 24
Procesy - przykłady
STOWARZYSZENIE ELEKTRYKÓW POLSKICH
ODDZIAŁ W SZCZECINIE
www.bitermo.pl
Procesy ciągłe
• przepływ
• poziom
• ciśnienie
• temperatura
• prędkość
Procesy dyskretne
• nadzór maszyn
• pakowanie
• sterowanie robotami
• transport
• bezpieczeństwo
Procesy - przykłady
Embedded PC 25
STOWARZYSZENIE ELEKTRYKÓW POLSKICH
ODDZIAŁ W SZCZECINIE
www.bitermo.pl
Układ regulacji
poziomu tlenu w
spalinach
Odsalanie
Odmulanie
Układ regulacji
poziomu wody
Płomienica
płomieniówki
Przestrzeń
wodna
Przestrzeń
parowa
Regulacja
ciśnienia
Embedded PC 26
Procesy - przykłady
STOWARZYSZENIE ELEKTRYKÓW POLSKICH
ODDZIAŁ W SZCZECINIE
www.bitermo.pl
POZIOM
WODY
przy zmiennym poborze pary występują
częste wyłączenia kotłowni - przekroczenia
granicznych poziomów wody
trudne
wyznaczenie
modelu
matematycznego
zmienność parametrów
chwilowy
pobór pary
ciśnienie
statyczne w kotle
temperatura
wody zasilającej
• regulacja „jednoimpulsowa ciągła”
chwilowy
pobór pary
chwilowy
przepływ wody
• regulacja „modulowana
dwuimpulsowa”
• regulacja „modulowana
trójimpulsowa”
Embedded PC 27
Procesy - przykłady
STOWARZYSZENIE ELEKTRYKÓW POLSKICH
ODDZIAŁ W SZCZECINIE
www.bitermo.pl
Procesy – stanowisko badawcze
Komputer
Kocioł Pompa Falownik
SterownikPanel PLC
Serwer www
KOTŁOWNIA –
OBIEKT
INWESTORA
PROJEKTANT
SYSTEMU
INTERNET
KomunikacjaPrzesłanie sygnału ze
sterownika
Korzysta z programu
Mitsubishi IDR Blok
Realizuje wizualizację procesów
Posiada wbudowaną funkcjonalność
serwer a www
Operacyjna obsługa
kotłowni
Sygnał
sterowania
4-20 mA
Sygnał HzSygnał – Q
przepływ wody
Czujnik odbiera sygnał o
poziomie wody
4-20 mA
Kolejne modyfikacje
programu
Przesłanie sygnału
Bezpośrednie
wgranie programu
do sterownika
Modyfikacja
programu przez
www
Feedback – modyfikacja
elementów programu lub
parametrów
Feedback – inf zwrotna
Feedback – inf zwrotna
Komunikacja
dwustronna
Stanowisko badawcze
Mapowanie pulpitu panelu PLC
Hz
Operator –pracownik
kotłowni
Urządzenia
kotłowni
Połączenie poprzez kanał VPN
umożliwia bezpieczny zdalny
monitoring pracy kotłowni –
mapowanie wizualizacji z panelu PLC
na komputer projektanta Monitoring pracy urządzeń
Embedded PC 28
STOWARZYSZENIE ELEKTRYKÓW POLSKICH
ODDZIAŁ W SZCZECINIE
www.bitermo.pl
Embedded PC 29
STOWARZYSZENIE ELEKTRYKÓW POLSKICH
ODDZIAŁ W SZCZECINIE
www.bitermo.pl
Dziękuję za uwagę