1

Elementy cyfrowe i układy

logiczne

Wykład

2

2

2

2

Legenda

Programowalne Sterowniki Logiczne (PLC)

2

3

3

3

3

Co to jest?

Sterowniki PLC

(ang.

Programmable Logic Controller)

są to takie sterowniki, których sposób

działania w postaci programu jest

pamiętany w sterowniku.

3

5

5

5

5

TwinCAT

Komputery przemysłowe

Napędy

Podzespoły sieci przemysłowych

6

6

6

6

Wstęp

• Sterowniki z programowalną pamięcią stosowane są

do

kontroli

i

sterowania

skomplikowanymi

procesami technologicznymi.

• Sterowniki PLC posiadają procesor, wykonujący

niezbędne operacje logiczne i arytmetyczne.

• Sterowniki PLC mogą być obsługiwane z komputera

IBM PC lub komputera przemysłowego z magistralą
(np. Magistrala VXI) wraz z programowaniem.

• Sterownik na podstawie wysłanych dany z programu

analizuje stan wejść i ustala na wyjściach lub w
pamięci odpowiednie wartości i stany.

4

7

7

7

7

Historia

Rok 1968 - pierwszy sterownik dla przemysłu

samochodowego (General Motors)

Rok 1977 - zastosowanie mikroprocesora w

sterownikach (Allan-Bradley)

Lata 70' XX wieku - mikrokomputery sterujące

8

8

8

8

Producenci sterowników PLC

• Siemens (Niemcy)
• Honeywell (USA)
• Allen Bradley (USA)
• Omron (Japonia)
• GE Fanuc (USA-Japonia)
• Hitachi (Japonia)
• Mitsubishi (Japonia)
• Matsushita (Japonia)
• AEG-Modicon (Niemcy-USA)

5

9

9

9

9

Pożądane właściwości

sterowników PLC

łatwość programowania/zmiany programu, w tym również

podczas współpracy z obiektami, aby umożliwić łatwą i szybką
adaptację systemu do zmieniających się zadań sterowania

niezawodne w warunkach bez klimatyzacji pracując w otoczeniu z

dużymi

wahaniami

temperatury

i

dużymi

zakłóceniami

elektrycznymi, 24h na dobę

łatwość

montażu

i

napraw,

najlepiej

poprzez

wymianę

podzespołów (modułów)

proste w konserwacji i proste do obsługiwania przez "osoby z

wykształceniem średnim"

możliwość komunikowania się z komputerami nadrzędnymi

małe gabaryty

10

10

10

10

Cechy sterowników PLC

możliwości programowania

prosty język opisu algorytmu sterowania

bardzo łatwa forma programowania operacji logicznych

wspomaganie w większości typowych funkcji przez specjalny

system operacyjny czasu rzeczywistego

łatwość uruchamiania algorytmu sterowania

ułatwiona diagnostyka systemów sterowania

przystosowanie do pracy w warunkach przemysłowych

niższe koszty i opłacalność stosowania nawet w przypadku

sterowania prostych obiektów

szybkość przetwarzania

modułowość

elastyczność

dokładność

powtarzalność

6

11

11

11

11

Podział sterowników logicznych

wielkość

- małe – do 100 I/O
- średnie – do 500 I/O
- duże – ponad 500 I/O

budowa

- kompaktowa
- modułowa

moc obliczeniowa

- wielkość pamięci programu
- wielkość pamięci na zmienne
- czas realizacji kilorozkazów

rodzaj sygnałów wejściowych/wyjściowych

- prądowe

- analogowe

- napięciowe

- impulsowe

- mieszane

12

12

12

12

Cechy charakterystyczne

sterowników PLC

specyficzny system operacyjny i sposób programowania

język programowania zorientowany na wykonywanie nie tylko

operacji słownych, ale i bitowych

przechowywanie

programów

użytkowych

w

pamięci

EEPROM/FLASH

i

bateryjne

podtrzymywanie

pamięci

operacyjnej

przystosowanie modułów wejść i wyjść do standardów napięć

przemysłowych

duża obciążalność prądowa wyjść, umożliwiająca bezpośrednie

sterowanie układów wykonawczych

przystosowanie konstrukcyjne do montażu w bezpośrednim

otoczeniu obiektu sterowanego

odporność

na

działania

ś

rodowiska

przemysłowego,

bez

konieczności okresowej obsługi i konserwacji

7

13

13

13

13

Parametry przykładowych

sterowników PLC

14

14

14

14

Komunikacja sterownika z

otoczeniem

Sieć

Szybkość, odległość

Ilość stacji

Max blok

Inne

Modbus

Modicon 1979

9600 bps – 1200m
19200 bps – 1200m

256/32

256

RS-232, RS-422, RS-485,
Modem, M-S, prostota

Genius/N-80

GE-Fanuc 1985

153.6 kbps - 1000m
38.4 kbps – 2250m

32

128

skrętka, światłowód,
T-P, P-C

LonWorks

Echelon 1991

1.25 Mbps - 500m
78.0 kbps - 100m

32..32385

54/31

koprocesor sieciowy
Neuron Chip, M-S, P2P, PM

CAN

(Controller Area Network)

BOSCH 1994

1 Mbps – 40m
50 kbps – 1000m

2

11

, 2

29

8

skrętka, światłowód,
P-C, CSMA/CD+AMP

SDS

(Smart Distributed System)

Honeywell 1994

1 Mbps – 100m/500m
500 kbps - 100m
125 kbps – 500m

32 dla 1Mbps,
64 dla pozost.

8

skrętka (med.+zas.),
na bazie CAN,
M-S, P2P, M-M, CSMA/NBA

DeviceNet

Rockwell i Allen-Bradley 1994

1 Mbps - 30m
500 kbps – 100m/500m
125 kbps – 490m

64

8

skrętka (med.+zas.),
na bazie CAN (broadcast),
M-S, M-M, inne, CSMA/NBA

HART

HART Communication Foundation ?

2-3 bps

15

1

skrętka, Bell 202, FSK, 1200 i
2200 Hz na 4..20mA, M-S

FIP/WorldFIP

(Factory Instrumentation Protocol)
(Factory Information Protocol)
(Fieldbus Internet Protocol)

CEGELEC 1988

31.25 kbps - 32 km
1 Mbps - 4km z 3 rep.
2.5 Mbps - 2km z 3 rep.
5.0 Mbps - 1km z 3 rep.
25 Mbps - ?

256 (rep), 32

128/250

skrętka, światłowód, bezprz.,
długość medium można
podwoić uruchamiając
magistralę w trybie wolnym,
P-D-C, BA

General Motors 1968

pierwszy sterownik (dla
przemysłu samochodowego)

8

15

15

15

15

Komunikacja sterownika z

otoczeniem - c.d.

Sieć

Szybkość, odległość

Ilość stacji

Max blok

Inne

Fieldbus Foundation HSE

Xerox 1979

10 Mbps - 100

m

/2500

m

100 Mbps - 100

m

/2500

m

1.0 Gbps - 100

m

/2500

m

100

-

skrętka, światłowód,
M-S, P2P, CSMA/CD

Fieldbus Foundation H1, H2

SIEMENS ?

H1

- 31.25 kbps – 1900m

H2

- 1.0 Mbps - ?

240

244

skrętka, światłowód,
C-S-P-S

ControlNet

Rockwell 1997

5 Mbps - 250m/1000m

99

64/128/240

skrętka, światłowód,
P-C, CTDMA

AS-I

AS-I Consorcium 1993

167 kbps - 100m/300m

31

31

M-S, CP

P-Net

PROCES-DATA 1984

76.8 kbps - 1200m

125

1

RS-485, prosty protokół (nawet
dla uP 8-bit), M-M, TP

SwiftNet

? ?

?

?

?

?

Intrerbus-S

Phoenix Contact 1984

500 kbps - 400m

256

64

skrętka, światłowód,
M-S

Profibus-PD

SIEMENS 1994

12 Mbps - 100m/500m
1.5 Mbps - 200m
9.6 kbps - 1200m/9600m

128 (rep), 32

244

skrętka, światłowód,
M-S - stacja Master i inna,
P2P - między stacjami Master
TP

16

16

16

16

Komunikacja sterownika z

otoczeniem – objaśnienia

BA

- Bus Arbiter

CP

- Cyclic Polling

CSMA/CD

- Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect

CSMA/CD+AMP

- Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection and Arbitration

on Message Priority

CSMA/NBA

- Carrier Sense Multiple Access with Non-destructive Bitwise Arbitration

CTDMA

- Concurrent Time Domain Multiple Access

C-S-P-S

- Client-Serwer-Publisher-Subscriber

M-M

- Multi-Master

M-S

- Master-Slave

P2P

- Peer to peer

PDC

- Producer-Distributor-Consumer

PM

- Predictive Media / CSMA/CA-P

P-C

- Producer-Consumer

P-D-C

- Producer-Distributor-Consumer

SCADA

- Supervisory Control and Data Acquisition

9

17

17

17

17

Zastosowania sieci

przemysłowych

- komunikacja pomiędzy modułami sterowników
- komunikacja z czujnikami pomiarowymi
- komunikacja z inteligentnymi czujnikami i oprzyrządowaniem

pracującymi na pętli prądowej 4..20mA

- zdalne programowanie i nadzór sterowników i innych urządzeń
- sterowanie i kontrola obwodów parametrów lotu w samolotach
- automatyzacja i sterowanie w pociągach
- automatyzacja pojazdów
- automatyzacja budynków
- systemy "inteligentnych budynków"
- systemy kontroli ruchu
- szybkie przesyłanie danych na nieduże odległości
- kontrola procesów przemysłowych
- monitorowanie i rejestrowanie danych pomiarowych
- komunikacja z systemami SCADA

18

18

18

18

Zasada działania sterowników

PLC

Podstawową

zasadą

pracy

sterowników jest praca cykliczna,
w

której

sterownik

wykonuje

kolejno

po

sobie

pojedyncze

rozkazy

programu

w

takiej

kolejności,

w

jakiej

są

one

zapisane

w

programie.

Na

początku każdego cyklu program
odczytuje "obraz" stanu wejść
sterownika i zapisuje ich stany.

10

19

19

19

19

Zasada działania sterowników

PLC – c.d.

Po

wykonaniu

wszystkich

rozkazów

i

określeniu

(wyliczeniu) aktualnego dla danej sytuacji stanu wyjść,
sterownik wpisuje stany wyjść do pamięci będącej
obrazem wyjść procesu a system operacyjny steruje
odpowiednimi

wyjściami

sterującymi

elementami

wykonawczymi. Tak więc wszystkie połączenia sygnałowe
spotykają

się

w

układach

(modułach)

wejściowych

sterownika, a program śledzi ich obraz i reaguje zmianą
stanów wyjść w zależności od algorytmu.

20

20

20

20

Sterowniki PLC – składają się z:

• jednostki centralnej (CPU)
• bloków wejść cyfrowych
• bloków wejść analogowych
• bloków komunikacyjnych
• bloków wyjść cyfrowych
• bloków wyjść analogowych
• bloków specjalnych

11

21

21

21

21

PLC - …jednostka centralna

Głównym elementem
każdego

sterownika

jest

jednostka

centralna,

której

zadaniem jest:
• odczytywanie
stanów urządzenia,
• dokonywanie
operacji,
• określanie

stanu

sterownika,
• synchronizacja
działania

wszystkich

członów sterownika.

22

22

22

22

PLC - …jednostka centralna

•

Jednostka

centralna

jest

podstawowym

elementem

decydującym o szybkości działania sterownika.

•

Większość sterowników wyposażona jest w 16-bitowe
procesory, chociaż coraz częściej spotykamy się z
procesorami 32-bitowymi.

•

Jednostka centralna może być wyposażona w kilka
procesorów.

•

Sterowniki

modułowe

ś

redniej

wielkości

posiadają

przeważnie 2 procesory, natomiast duże mają od kilku do
kilkunastu procesorów w swojej jednostce.

•

Jednostki centralne CPU działają cyklicznie, pozwala to
na wykonywanie programu w ściśle określonym trybie.

12

23

23

23

23

PLC - …wejście cyfrowe

•

Wejście cyfrowe

- ogólnie przyjęta nazwa pojedynczego

wejścia binarnego sterownika PLC, mogącego mieć dwa
stany: "0" - brak napięcia i "1" - jest napięcie.

•

Wejścia cyfrowe są podstawowymi blokami wejściowymi
sterowników PLC.

•

Do nich docierają sygnały z przycisków sterowniczych,
czujników, itp.

•

Na podstawie tych sygnałów sterownik PLC steruje wg
zawartego w nim algorytmu pozostałymi elementami
poprzez wyjścia cyfrowe lub wyjścia analogowe.

24

24

24

24

PLC - …wyjście cyfrowe

•

Wyjście

cyfrowe

-

ogólnie

przyjęta

nazwa

pojedynczego wyjścia binarnego sterownika PLC.

•

Przyjmują następujące stany: "0" - brak napięcia, "1" -
jest napięcie.

•

Produkowane są (przeważnie) dwa rodzaje wyjść:

 tranzystorowe

o obciążalności 0,5 A

 przekaźnikowe

o obciążalności 8 A.

•

Poprzez wyjścia cyfrowe sterownik steruje
urządzeniami zewnętrznymi takimi jak: styczniki,
elektrozawory, lampki kontrolne, sygnały akustyczne,
itd.

13

25

25

25

25

PLC - …wejście analogowe

• Wejście analogowe

- ogólnie przyjęta nazwa

pojedynczego wejścia sterownika PLC dla
standardowych sygnałów analogowych.

• Przyjęte standardy to: 0...20 mA, 4...20 mA, 0...10

V

• Służą do pomiarów m.in.: temperatury, ciśnienia,

przepływu, obrotów, itp. Pomiary te odbywają się
poprzez zamianę wartości np. temperatury na
sygnał analogowy o wartości np. 0...10 V.

• Sygnały są przetwarzane w sterowniku, który

reaguje wg ustalonego algorytmu.

26

26

26

26

PLC - …wyjście analogowe

• Wyjście analogowe

- ogólnie przyjęta nazwa

pojedynczego wyjścia analogowego sterownika
PLC.

• Standardowe wyjścia analogowe mają wartości:

0...20 mA, 4...20 mA, 0...10 V

• Jest podstawowym składnikiem bloków wyjść

analogowych sterowników PLC.

• Sterownik poprzez te wyjścia może sterować

urządzeniami zewnętrznymi takimi jak: regulatory
temperatury,

przetwornica

częstotliwości,

serwonapęd, itp.

14

27

27

27

27

PLC - …bloki specjalne

• Oprócz podstawowych bloków sterowniki PLC

mogą mieć również bloki specjalne, np:

 regulacyjne – sterowniki wyposażone w

jednostkę centralną typu wieloprocesorowego,
przystosowane

do

przetwarzania

wielobitowych sygnałów,

 pozycjonowane – sterowniki stosowane jako

sterowniki

urządzeń

manipulacyjnych,

gdy

konieczna jest zmiana parametrów urządzeń
napędowych,

 układy sterowania silnikami krokowymi.

 układy sterowania ruchem.

28

28

28

28

Struktura sterowników

Proces automatyki

Wyjścia

analogowe

Wejścia

binarne

Wyjścia
binarne

Wejścia

analogowe

Program

Obraz
wejść

licznik

Obraz

wyjść

timer

dane

zmienne

pomocnicze

PROCESOR

Bloki

specjalne

Moduły I/O

Pamięć

15

29

29

29

29

Cykl pracy sterownika

START

Identyfikacja

Inicjalizacja

Aktualizacja

obrazu wejść

PROGRAM

Aktualizacja

wyjść pakietów

Diagnostyka

30

30

30

30

Adresowanie pamięci

W pamięci sterownika wyodrębniona jest pewna ilość miejsc
do przechowywania chwilowych wyników operacji. W
sterownikach PLC rozróżniamy 4 tryby adresowania: bitowo,
bajtowo, wyrazowo oraz przy pomocy dwóch słów. Adresując
słownie operujemy na 16-tu bitach i przy pomocy dwóch słów
na 32-ch bitach.

0
1
2
3
4
5

0

2

5

0

7

bit

bajt

wyraz

3

M 0.3

– bajt 0, bit 3

MW 5

– wyraz 5

MB 3

– bajt 3

16

31

31

31

31

Adresowanie modułów

Adresowanie modułów przebiega podobnie jak adresowanie pamięci.
W przypadku

wejść i wyjść binarnych

podajemy numer modułu i po

kropce numer zacisku a w przypadku

modułów analogowych

tylko

numer zacisku (adresowanie wyrazowe). Numer modułu zależy od
jego umiejscowienia na szynie. Pierwszy moduł otrzymuje adres „

0”

a następne „

1”, „2” itd. lub „4”, „8”, itd. w zależności od typu

sterownika i modułów.

0 lub

0 ÷ 3

2 lub

8 ÷ 11

1 lub

4 ÷ 7

Np. aby odczytać czujnik podłączony do modułu nr „

0”

i zacisku „

3” wpisujmy: I 0.3

32

32

32

32

Operandy

• Przed opisem numerycznym wejścia, wyjścia lub pamięci

dodaje się symbol literowy identyfikujący dany adres.

• Dopuszczalny jest zapis w języku angielskim i niemieckim.

oznaczenie

bitowo

bajtowo

wyrazowo

ang.

niem.

wejścia

I

E

×

×

×

wyjścia

Q

A

×

×

×

flagi

F

M

×

×

×

dane

D

D

×

×

timer

T

T

×

licznik

C

Z

×

stałe

K

K

×

×

17

33

33

33

33

Operandy w programowaniu

&

I 1.0

I 1.2

I 1.0

I 1.2

A I 1.0
A I 1.2

=

M 1.6

= M 1.6

M 1.6

LAD

CSF

STL

- iloczyn logiczny (AND)

- suma logiczna (OR)

- wynik operacji

M 1.0

I 4.5

ON M 1.0

O I 4.5

>=

M 1.0

I 4.5

34

34

34

34

Języki programowania

Istnieją 3 podstawowe języki programowania sterowników PLC:

1.

LAD

– jest to język oparty na rysowaniu schematu zwanego

drabinkowym, bardzo wygodny do układania programu mając dany układ
przekaźnikowy mający działać automatycznie,
2.

CSF

– stosowany do programowania sterownika, gdy dysponujemy

układem zbudowanym z bramek logicznych,
3.

STL

– będący językiem mnemonicznym, o strukturze podobnej do

wewnętrznego języka mikroprocesorów (asemblera).

Największe możliwości uzyskujemy dla języka STL, gdyż pozwala na
użycie funkcji i

instrukcji niedostępnych w dwóch pozostałych.

Przekształcenie programu z LAD na CSF i odwrotnie jak również z LAD
lub SCF na STL jest możliwe.
Konwersja z STL na LAD lub CSF nie jest możliwa w każdym przypadku.

18

35

35

35

35

Procesy - przykłady

36

36

36

36

Procesy - przykłady

19

37

37

37

37

Procesy – stanowisko badawcze

Komputer

Kocioł

Pompa

Falownik

Sterownik

Panel PLC

Serwer www

KOTŁOWNIA –

OBIEKT

INWESTORA

PROJEKTANT

SYSTEMU

INTERNET

Komunikacja

Przesłanie 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 Hz

Sygnał – 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

38

38

38

38

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 Win

Embedded PC

20

39

39

39

39

Koniec

Dziękuję za uwagę