Logiikoiden uudet

mahdollisuudet

Teknologiademot on the Road

13.5.2016

Automaation perusteita

Petteri Mäkelä

Automaatiojärjestelmä• Automaatiojärjestelmä voi olla yksittäinen PLC tai koko

tehtaan toiminnan ohjaamiseen tarkoitettu järjestelmä.

Automaatiojärjestelmä

• Alimmalla eli kenttälaitetasolla ovat yksittäiset ohjausyksiköt, lähettimet, anturit ja mittalaitteet sekä prosessia ohjaavat toimilaitteet.

• Seuraavalla tasolla ovat ohjainyksiköiden, säätimien ja toimilaitteiden ohjauksia kontrolloivat logiikkayksiköt (PLC).

• Ylimmälle tasolle sijoittuvat mm. valvomotietokoneet ja erilliset ohjauspäätteet ja hälytyskirjoittimet. Ylimmältä tasolta voidaan liittyä myös lähiverkkoon ja mahdollisesti Internetiin.– Tuotannonohjaus (MES) - ja toiminnanohjausjärjestelmät

(ERP)

Automaatiojärjestelmä

Ohjelmoitava logiikka

• Ohjelmoitava logiikka

– (eng.) Programmable Logic Controller, PLC

– tietokone, jota käytetään reaaliaikaisten automaatioprosessien ohjauksessa

• NC-kone, automaatiolinja jne

PLC:n rakenne

Tulot ja lähdöt

• Ohjelmoitavan logiikan ulkoisista liitännöistä käytetään yleisesti termejä tulo ja lähtö.

• Tuloporttien kautta logiikka saa tietoa järjestelmän tilasta, ja lähtöporttien kautta se voi ohjata järjestelmää

• Tulot– Kytkennän osa, jolla PLC:lle viedään tietoa (kytkimet,

painonapit, anturit, näppäimistö, hiiri, kosketusnäyttö…)

• Lähdöt– Kytkennän osa, jolla PLC antaa tietoa ulkomaailmaan

(moottorien ja venttiilien ohjaus, lmerkkivalot, näyttö…)

Ohjelman suoritus

• Ohjelmakierron aikana

– PLC lukee tuloihin liitettyjen antureiden, kytkimien ja lähettimien välittämät tiedot sisäisiin muistipaikkoihin

– PLC suorittaa ohjelman (prosessointijakso)

– Tieto välittyy lähtöyksiköistä ohjausväylän kautta toimilaitteille

IEC 61131-3 standardi

Standardi IEC 61131 ” Programmable controllers -Part 3: Programming languages” koskee

logiikoiden ohjelmointikieliä

Petteri Mäkelä

IEC 61131-3 standardi

• Standardin IEC 61131 mukaan ohjelma koostuu itsenäisistä osista, joita kutsutaan Program Organization Uniteiksi (POU).

• POU:ta on kolmea tyyppiä

– Program eli ohjelma

– Function (funktio)

– Function block (toimilohko)

POU

• Program on varsinainen pääohjelma. Programissamääritellään mm. kuinka fyysiset tulot ja lähdöt linkitetään muuttujiin

• Funktiolle voidaan antaa parametreja. Funktiolla ei ole omaa muistia tilatiedoille.– Ei muista mitään edelliseltä suorituskerralta

– Tuottaa aina saman ulostulon samoilla parametreilla

• Toimilohkolla (function block) on sisäinen muisti– Ulostulon arvo riippuu parametrien lisäksi sisäisistä

muuttujista

Muuttujat

• Muuttujat sisältävät POU:ssa käsiteltävän datan (declaration part). Muuttujat määritellään POU:n alussa

• Muuttujalle annetaan nimi muuttujan tyyppi ja tietotyyppi

Muuttujat ja tietotyypit

• Muuttujan nimi yksilöi muuttujan

• Tietotyyppi kertoo, mitä arvoja muuttuja voi saada (bool, kokonaisluku, desimaaliluku, merkkijono, päivämäärä…)

IEC 61131-3 ohjelmointikielet

• Standardi määrittelee viisi ohjelmointikieltä

• Tekstimuotoiset kielet

– Instruction lis (IL)

– Structured text (ST)

• Graafiset kielet

– Ladder diagram (tikapuukaavio) (LAD)

– Function Block Diagram (FBD)

– Sequential Function Chart (SFC)

Instruction List (IL)

• Instruction list (käskylistaus) muistuttaa assembleriä (konekieltä)

• Muut kielet on mahdollista kääntää IL-muotoon

• IL-kieli on matalimman tason kieli. Ohjelmat saattavat olla vaikeita ymmärtää koodin lukijalle

Structured text (ST)

• ST muistuttaa ”tavallisia” ohjelmointikieliä (C, Pascal)

• Korkean abstraktiotason ohjelmointikieli

• ST-algoritmi koostuu lauseista ja lausekkeista

Ladder diagram (LAD)

• LD:n tausta on sähkötekniikassa. LD perustuu virran kulun kuvaamiseen relelogiikkaohjauksessa

• LD (tikapuukaavio) lienee yleisin logiikkaohjauskieli

• Sopii parhaiten yksinkertaisiin ohjauksiin, mutta sillä on mahdollista tehdä myös suuria järjestelmiä

Function block diagram (FBD)

• Function block diagram on graafinen ohjelmointikieli, joka muistuttaa digitaalitekniikan kurssilla käytettyjä IC-piirien piirikaavioita

• Toimilohko tai funktio koostuu sisääntuloista, itse lohkosta ja ulostuloista.

• Lohkoja voidaan yhdistää toisiinsa• Ohjelma etenee samalla tavalla kuin

tikapuuohjelma eli vasemmalta oikealle ja ylhäältä alas

• (Huom. FBD vs. FB. Function Blockeja voidaan käyttää myös tikapuukaavioissa)

Sequential function chart (SFC)

• Sequential function chart voidaan tehdä graafisena tai tekstimuotoisena

• SFC:n avulla voidaan jakaa suuri ohjelma pienempiin ja helpommin hallittaviin osiin

• SFC:llä kuvataan, kuinka ohjelman suoritus etenee näiden osien välillä

• SFC koostuu askelmista ja siirtymistä askelmien välillä

Loogiset operaatiot ja

funktioblokit

Petteri Mäkelä

Loogiset operaattorit yms

• Loogiset operaattorit

• Vertailijat

• Aritmeettiset laskutoimitukset

• Loogiset operaatiot

– Invertteri (NOT)

– AND

– OR

– XOR

Function Blocks

• Tässä luvussa on esitelty valmiita funktioblokkeja ja funktioita (Beckhoff)

Esimerkki

• Lamppu voidaan sytyttää ja sammuttaa yhdellä painikkeella

• Triggeri, RS-kiikku ja AND

Arimeettiset operaatiot

• Mahdollisuus tehdä erilaisia laskutoimituksia

• Esimerkki:

– x = a * b – c * d;

Muunnokset tietotyyppien välillä

• Usein täytyy tehdä muunnoksia tietotyyppien välillä

Muunnokset tietotyyppien välillä

• Kokonaisluvusta desimaaliluvuksi (INT_TO_REAL)– a, b, c ja d ovat

kokonaislukuja

– Pakotetaan a desimaali-luvuksi (INT_TO_REAL), että saadaan desimaalilukujenjakolasku

• Desimaaliluvusta kokonaisluvuksi (REAL_TO_INT)– x ja y ovat tyyppiä REAL

– Katkaistaan desimaalitkertolaskun jälkeen(REAL_TO_INT)

Vertailijat

• Vertailijat (yhtäsuuruus, erisuuruus, pienempi kuin, suurempi tai yhtä suuri kuin…)

• Hiiren oikea näppäin ja valitaan sopiva vertailija valikosta

Pienempi kuin nolla (LT)

Suurempi tai yhtä suurikuin nolla (GE)

Ajastimet

• Kolme erilaista ajastinta– TON: Timer on-delay

• Viivästyttää ulostulon päälle laittamista

– TOF: Timer off-delay• Viivästyttää ulostulon laittamista

pois päältä

– TP: Pulse timer• Käytetään tietyn pituisen pulssin

generointiin

Laskurit

• Kolme erilaista laskuria

– CTU: Counter up

• Ylöspäin laskeva laskuri

– CTD: Counter down

• Alaspäin laskeva laskuri

– CTUD: Counter up/down

• Ylös ja alas laskeva laskuri

Omat funktiot ja toimilohkot 1/2

• PLC-ohjelmat kannattaa jakaa moduuleihin samalla tapaa kuin esimerkiksi C- tai C#-ohjelmat– Samaa koodia ei kannata monistaa moneen paikkaan

ohjelmassa. – Ohjelma on ymmärrettävämpi, jos sen toiminta jaetaan

pienempiin osiin– Ohjelmakoodin uudelleen käyttö helpottuu

• Metodien sijaan PLC-ohjelmissa tehdään funktioita ja funktioblokkeja– IEC 61131-3 standardissa (v3) on mukana myös luokat ja

oliot– Voidaan tehdä myös kirjastoja

Omat funktiot ja toimilohkot 2/2

• Funktiolle voidaan antaa parametreja. Funktiolla ei ole omaa muistia tilatiedoille.

– Ei muista mitään edelliseltä suorituskerralta

– Tuottaa aina saman ulostulon samoilla parametreilla

– Yksi paluuarvo

• Toimilohkolla (function block) on sisäinen muisti

– Ulostulon arvo riippuu parametrien lisäksi sisäisistä muuttujista

– Voi olla useita lähtöjä

Sekvenssiohjaus

Petteri Mäkelä

Sekvenssiohjaukset

• Sekvenssiohjausta käytetään tehtäviin, joissa toiminnot tapahtuvat ajallisesti peräkkäin

• Seuraavaan askeleen mennään yleensä edellisen askeleen kautta, kun siirtoehto toteutuu

• Sekvenssiohjauksesta käytetään myös nimitystä tilakone

Sekvenssiohjaukset

• Sekvenssi etenee ylhäältä alas kuvan mukaan

• Seuraavaan tilaan (askel, step) siirrytään ehdon toteutuessa

Kuva Hannu Reinilä

Sekvenssiohjaukset

• Function Block Diagramia (ja Ladderia) käytettäessä Sekvenssiohjaukset toteutetaan RS-pitopiirien ketjuilla

– Tämä on yleisesti käytetty tapa ja varsin selkeä silloin, kun askelia on suhteellisen vähän

– Toinen vaihtoehto on käyttää Sequential Flow Chartia (SFC) tilojen (askelien) ja siirtoehtojen kuvaamiseen

– Kokeneet PLC-ohjelmoijat tekevät sekvenssiohjauksen yleensä lausekielisenä Structured Textillä (ST)

Sekvenssiohjaus

• Sekvenssiohjauksessa on yleensä yksi askel (step) aktiivinen. Muut askeleet ovat poissa päältä.

• Askeleesta seuraavaan siirrytään, kun edellinen askel on voimassa ja ehto uudelle askeleelle tulee todeksi

• Uusi askel nollaa edellisen askeleen asetuttuaan

Lähde Hannu Reinilä

Sekvenssiohjaus

• Askeleeseen siirrytään, kun edellinen askel ja muut siirtoehdot ovat päällä (usein AND-piiri SETinvasemmalla puolella)

• Sekvenssin keskeyttävät toiminnot kerätään yhteen OR-toiminnolla ja kytketään RESETiin– Usein seuraava askel resetoi

edellisen askeleen– RESETiin kytketään usein

myös ”hätä-seis”

Esimerkki

• Step1: Moottori ajaa kuljetinta eteenpäin, kun Start-painiketta on painettu

• Step2: Kuljetin vaihtaa suuntaa taakse päin, kun kappale saapuu rajakytkimelle 1 (raja 1)

• Step3: Kuljetin vaihtaa suuntaa taas eteenpäin, kun kappale saapuu rajakytkimelle 2 (raja2)

• Askeleet Step1, Step2 ja Step3 kuvataan RS-kiikkuina– Set-tuloon määritellään ehdot, joilla tilaan siirrytään

– Resettiin määritellään ehdot, joilla tila nollataan

• Start-painike ja rajakytkimet 1 ja 2 ovat BOOL-tyyppisiä muuttujia

Esimerkki

Kuva: SIMATIC STEP S7 Ohjelmointiohjelma, Seppo Mäkelä TAMK

Esimerkki

• Kutakin askelta (step, tilaa) varten on määritelty RS-kiikku

• Ensimmäinen askel menee päälle, kun Startia on painettu

• Kun askel1 on päällä (askel1.Q1) ja raja1 on päällä siirrytään askeleeseen 2– Siirtymisehdot on siis askeleen 2

vasemmalla puolella olevassa ANDissä

• Kun on siirrytty askeleeseen 2, nollautuu askel 1– Tämä on tehty askeleen 1 resetissä

• Kaikki askeleet voidaan nollata muuttujalle reset (Oriin tuleva tulo)

Esimerkki

• Sekvenssipiiri ei vielä ohjaa mitään. Moottorien ohjauksia ei kytketä suoraan askelia kuvaavien RS-kiikkujen lähtöihin– Periaate: laitetta ohjataan vain yhdestä paikasta

• Ohjaukset on koottu ohjelman loppuun. Huom: eteenpäin ohjaus on kahdessa tilassa– Eteenpäin ajetaan joko askeleessa 1 TAI 3

– Taaksepäin ajetaan askeleessa 2

OPCOpen connectivity via open standards

OPC, avoimen tiedonsiirron standardi

• Avoimen tiedonsiirron valmistajariippumaton standardi

– Taustalla OPC Foundation

• Käytetäänkin automaatiosovelluksissa

– Logiikoiden

– Valvomoiden

– Käyttöliittymien

… välisenä rajapintana.

• Kaksisuuntainen yhteys

OPC, avoimen tiedonsiirron standardi

• ”Vanha” OPC DA (Data Access) protokolla

– DA on vain Microsoft Windowsissa toimiva palvelin (Microsoft DCOM teknologia).

• Uusi OPC UA (Unified Architecture) protokolla

– Uusi (2008) modernimpi määrittely joka parantaa tietoturvaa ja poistaa esimerkiksi laiteriippuvuuteen liittyviä rajoituksia

– Kommunikointi ethernet-liitynnän kautta, joko TCP tai HTTP pohjainen

OPC, avoimen tiedonsiirron standardi

• OPC kommunikointi tapahtuu serverin (palvelin) ja clientin (asiakas) avulla

– Tavallisesti palvelin sijaitsee logiikassa tai siihen yhdistetyssä tietokoneessa ja asiakkaana toimii esimerkiksi käyttöliittymäohjelmisto

PicRef: OPC and MES DAY 2012. Seminaari Espoossa

Virtuaalinen käyttöönotto

(Virtual Commissioning)

Jarkko Pakkanen

Virtuaalinen käyttöönotto

PLC-ohjattu virtuaalimalli• Virtual Commissioning – virtuaalinen käyttöönotto

• Järjestelmän tai toimilaitteen ohjaus suunnitellaan virtuaalista mallia vasten• Teknologialla voidaan validoida myös PLC-ohjausta• Demossa käytössä Siemens NX MCD, joka sisältää fysiikkamallinnuksen

• Onko meillä toimivat työkalut?• …Onko virtuaalisten käyttöönottomallien tarvitsema työmäärä

hallittavissa?

Haasteet toimialalla:• Nopea tuotekehityssykli• Rinnakkaista suunnittelua tarvitaan• Ongelmia käyttöönottovaiheessa

• “Kokonaisuus ei toimikaan yhteen”

Virtuaalinen käyttöönottoPLC ohjattu mektroniikkakonseptisuunnittelu

TIA Portal

OPC Scout

NX MCD

Virtuaalinen käyttöönottoKonseptoinnin vaiheet 1/2

• Luodaan järjestelmän 3D malli Tavallisesti tuotetaan mekaniikkasuunnittelussa Tarvittaessa voidaan käyttää useita CAD-formaatteja

• Fysiikkamallin määrittely Rigid Bodies (yhtenäiset liikkuvat järjestelmän osat) Collision Bodies (kappaleet jotka voivat törmätä toisiinsa)

• Mallin kinemattiikan määrittely Miten systeemin osat liikkuvat Johteet, nivelet jne.

Virtuaalinen käyttöönottoKonseptoinnin vaiheet 2/2

• Anturien ja käyttöjen määrittely Collision Sensors – anturien tunnistusalueet Position Controls – sijainnin ohjaaminen Speed Controls – nopeuden ohjaaminen

• Signaalien määrittely ja mäppäys INPUTS - Sensor signals MCD OPS Server PLC OUTPUTS – PLC OPS Server MCD

• Logiikan konfigurointi ja ohjelmointi (TIA Portal) PLC OPC Server … PLC Program

Pilvipalvelut ja automaatio,

data pilvessäJoitain esimerkkejä alustoista

Petteri Mäkelä

Pilvipalveluiden tarjoajia…

• Amazon Web Services (AWS)– AWS IoT, Hadoop Big Data

• Microsoft Azure– IoT Hub, IoT Suite, Hadoop Big Data

• ThingWorx– Suomessa Elisan kautta

– Graafisesti konfiguroitava ympäristö

• Siemens Mindsphere– Julkaistaan keväällä 2016

– Perustuu SAP HANAan

…ovat alustoja oman sovellutuksen pohjaksi.

…eritasoisia ratkaisuita/alustoja,myös ”IoT puolivalmisteita”

• Siemens plant data services– Data kerätään Siemensin

ylläpitämälle palvelulle

– OEE: analysoidaan tuotannon tehokkuutta

• Markkinoilla on myös kymmeniä muita IoT-palveluja– Suomessakin useita, esimerkiksi

Wapicen IoT Ticket

Pilvipalvelu ja IoTEkosysteemiajattelu on muuttunut. Esimerkiksi Microsoftin Azure tukee erityyppisiä laitteita (myös kilpailijoiden). Vastaavasti analysoinnin tuloksetvoidaan välittää myös kilpailijoiden toimittamiin järjestelmiin

Pilvipalvelu ja IoT

• Toisaalta esimerkiksi Beckhoff tukee oman datan analysointiratkaisun lisäksi useita julkisia pilvipalveluita

• Beckhoff: Useita erilaisia ratkaisuja datan viemiseksi pilvipalveluun

– TwinCAT Analytics

– Analytics Logger

– Analytics Workbench

• Matlab, C++, IEC 61131,

Wapice IoT Ticket

• Joustava konfiguroitava alusta laitteiden kytkemiseksi pilveen

– Erilaisia analysointi ja raportointityökaluja

– Mahdollisuus koodata omaa analytiikkaa R-kielellä

PicRef: www.iot-ticket.com

Azure IoT Suite

• Julkaistu syyskuussa 2015

• Perustuu IoT Hubiin ja muihin Azure IoT-palveluihin

– Lähdekoodit GitHubissa

• Esimääritellyt sovellukset

– Predictive maintenance

– Remote monitoring

• Sovellusesimerkkejä on tulossa lisää

Azure IoT Suite – Predictive Maintenance

Siemens Mindsphere

• Perustuu SAP HANAan

• Julkaistaan keväällä 2016– Tulevaisuudessa käyttäjät voivat tehdä omia sovelluksia (esim.

predictive maintenance)

• Voidaan tehdä tehtaasta digitaalinen malli, johon voidaan syöttää dataa oikeasta prosessista

• Laitteet yhdistetään Connector Boxin (Simatic IPC) kautta– Myös kilpailevien valmistajien laitteet (OPC UA:n kautta)

• Public cloud, private cloud, on-premises

Siemens Plant Cloud Services

Thingworx (Elisa IoT)

• Graafisesti konfiguroitava IoT-sovellusalusta ja pilvipalvelu

– Nopea sovelluksen tekeminen

• Elisa edustaa Suomessa

Pilvipalveluita

• Jne…

SeAMK tekniikan

automaation laboratoriotJoitain esimerkkejä

SeAMK automaation laboratoriot

SeAMK automaation laboratoriot

SeAMK automaation laboratoriot

SeAMK automaation laboratoriot

• …

• Beckhoff

• Siemens

• Omron

• Robotiikka

• Konenäkö

• Profiiliskanneri

• Jne…