ZIP 2012 Podst automat cz2

Podstawy automatyzacji

Kurs ARM 009041W

dr in

. Zbigniew Smalec, pok.3.19 B

Kierunek studiów: ZIP - stacjonarne

I-stopie , III rok, sem. 6-letni

Rok akad. 2011/12

Politechnika Wrocławska

W y d z i a ł M e c h a n i c z n y

Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji

Wrocław, 2012

2 (1 – 222)

Udział kosztów poszczególnych składników w budowie

maszyn mechatronicznych (wg Bender, Glas, Kohen,

McKinsey)

Koszty [%]

100

Obecnie

Układy mechaniczne

Układy elektroniczne i oprogramowanie

1980 1990 2000 2010

2020 Rok

In ynier zajmuj cy si budow maszyn ma

zwi zek z technik automatyzacji podczas:

zwi zek z technik automatyzacji podczas:
konstruowania maszyn,
projektowania instalacji,
uruchamiania maszyn i instalacji,
eksploatacji maszyn i instalacji (utrzymanie

ruchu, serwis, rozbudowa).

Aspekty automatyzacji w budowie i eksploatacji maszyn

Poziomy techniczno-informacyjne

w przedsi biorstwach produkcyjnych

Poziom planowania

Poziom kierowania

Poziom gniazda

Poziom sterowania

Poziom czujników/ elementów wykonawczych

Proces produkcyjny

Zadania

dyspozycyjne

Zadania

operacyjne

Ilo danych

Szybko

reakcji

MByte

kByte

bit

min

Uzasadnienie:

Uzasadnienie: Do sterowania i regulacji niezb dna jest znajomo i

opis procesów. Do opisu procesów słu modele.

Definicja modelu:

Definicja modelu: Zestawienie wszystkich informacji o materialnym

i niematerialnym systemie, które w ró ny sposób zobrazowuje

zawarte w nim elementy i relacje, aby umo liwi eksperymentaln

manipulacj odwzorowanej struktury i jej stanu.

Rzeczywisto

Model

Symulacja

Modelowanie

Eksperymentowanie

Walidacja

Definicja symulacji:

Definicja symulacji: Zast pienie modelowanego odwzorowania

dowolnego systemu lub procesu przez inny system lub proces i

eksperymentowanie z tym modelem (symulacja).

Modelowanie oraz symulacja systemów i procesów

Schemat budowy i przepływu sygnałów w układzie

sterowania elektrycznego

Sterownik

Dopasowanie

sygnałów

Przetwarzanie

sygnałów

Dopasowanie

sygnałów

Tranzystor Opoizolator

Warunek logiczny

Tranzystor Wzmacniacz

System wytwórczy

Nastawianie

9 2 4 8

Zawór Lampka Silnik Wy wietlacz

Wej cia

Przycisk Ł cznik

Operator

Przepływ

sygnałów

Struktura systemów automatyzacji

Zadania składników automatyzacji:

Proces techniczny

Układ sensoryczny:

Zbieranie informacji

Elementy wykonawcze:

Oddziaływanie na proces

Sterownik (komputer):

Przetwarzanie

informacji

Układ wskazywania i obsługi:

Przetwarzanie

informacji

System komunikacyjny:

Przekazywanie informacji

Struktury systemów automatyzacji

Podstawowe struktury systemów automatyzacji:

Urz dzenie

obsługi

System

kierowania

Sterownik

(

komputer)

Sterownik

(

komputer)

Sensor

Element

wykonawczy

Sensor

Element

wykonawczy

Element

wykonawczy

Poł czenie punkt-punkt

System sieciowy

Wymagania dotycz ce systemów automatyzacji

Wprowadzanie/

wyprowadzanie

sygnałów

procesu

Sterownik

Sensor

Element

wykonawczy

Ci nienie,

temperatura,

droga,

pr dko

obrotowa, ...

Zdolno do

pracy w czasie

rzeczywistym

Pewno

i niezawodno

działania

Odporno na

oddziaływanie

otoczenia

Zdolno do pracy w czasie rzeczywistym

Procesy obliczeniowe w systemach automatyzacji musz by wykonywane

w maksymalnie dopuszczalnym czasie, aby mo na było zapewni

zgodno przebiegu sterowania procesami z dynamik tych procesów.

Praca w czasie rzeczywistym:

Praca w czasie rzeczywistym jest

zapewniona wówczas, gdy spełnione

s wymagania równoczesno ci oraz

działania we wła ciwym czasie.

Działanie we wła ciwym czasie

(ang.

real time tasking):

Cało zbierania, transmisji,

przetwarzania i wyprowadzania

sygnałów odbywa si w ci gu

okre lonego maksymalnego czasu

reakcji, który jest mniejszy ni

najkrótszy czas procesu.

Działanie równoczesne

(ang.

time scharing):

Dzi ki przeł czanemu i

przesuni temu w czasie

przetwarzaniu wszystkich task’ów

uzyskuje si quasi

symultaniczno .

Praca w czasie rzeczywistym

Zdarzenie w procesie technicznym

Czas oczekiwania

Okre lanie stanu procesu

Przetwarzanie

Wyprowadzanie

Czas procesu

Maksymalny czas reakcji

Czas reakcji

Działanie we wła ciwym czasie:

Równoczesno :

Równoczesno :
Quasi równoczesne przetwarzanie ró nych,

jednocze nie wyst puj cych sygnałów procesu dzi ki

pracy wielozadaniowej (ang.

Multitasking).

Równoczesno - praca w czasie rzeczywistym

Równoczesno :

Proces 1

Proces 2

Proces 3

Sterowanie i regulacja w sterownikach komputerowych jest zwykle realizowana za

pomoc równolegle wykonywanych w czasie rzeczywistym task’ów, które reaguj na

zdarzenia zewn trzne wyst puj ce w czasie. W przebiegu czasowym tych task’ów

aperiodycznych (A) lub wykonywanych periodycznie (B) wyst puj trzy fazy, które s

uaktywniane po wyst pieniu zdarzenia (przerwania) w obiekcie:

pomiar

pomiar (odczyt danych z sensorów): dla okre lenia stanu sterowanego obiektu,

obliczenia:

obliczenia: okre lanie reakcji układu sterowania na obiekt,

wyprowadzanie:

wyprowadzanie: (zapis danych do elementów wykonawczych) działanie na obiekt.

Zdarzenie

A: aperiodycznie

Pomiar

Obliczenia

Wyprowadzanie

Fazy task’ów w czasie:

B: periodycznie

Okres

Cykliczne fazy task’ów w układach sterowania

Klasyfikacja task’ów

Zwi zane

czasowo

Prawdziwy czas

rzeczywisty

Lu ny czas

rzeczywisty

Krytyczne

czasowo

Czułe

czasowo

Periodyczne

Aperiodyczne

Sporadyczne

Spontaniczne

Nie zwi zane czasowo.

Bez wymaga czasowych

ongoing

(Twardy czas rzeczywisty)

(Mi kki czas rzeczywisty)

Okno czasu reakcji

A. Krytyczne czasowo (twardy czas rzeczywisty)

B. Czułe czasowo (mi kki czas rzeczywisty)

To, co jest rozumiane pod poj ciem czasu rzeczywistego, zale y w zasadzie od ka dorazowej aplikacji – np.

w procesach termicznych wystarczaj czasy reakcji w zakresie sekund, natomiast w regulacji nap dów o

du ej dynamice s to mikrosekundy. Dlatego te IAONA (ang. Industrial Automation Open Network Alliance)

przeprowadziła podział czasu rzeczywistego na cztery nast puj ce klasy:
Klas 1 mo na uzyska w ka dej sieci Ethernet.
Wymagania nast pnego stopnia (klasy 2) przy skrupulatnym doborze składników i zaprojektowaniu sieci daj

si jeszcze spe

ni za pomoc konwencjonalnej techniki.

Aby dla klasy 3 móc zapewni czasy cyklu rz du 1 ms, konieczne s specjalne algorytmy programowe, np.

synchronizacja zegarem wg IEEE 1588 i metoda stempla czasowego.
Wreszcie dla procesów o wysokiej dynamice w klasie 4 obecnie wchodz w gr tylko systemy specjalne.

Klasyfikacja czasu rzeczywistego wg IAONA

Wysoce dynamiczne,

synchronizowane

procesy, „elektroniczne

przekładnie”

Obrabiarki,

szybkie

procesy, roboty

Systemy transportowe, proste

regulacje, instalacje

zautomatyzowane

Technika budowlana, poziom

kierowania i automatyzacji,

proste procesy, systemy

magazynowe

Klasy

Real-Time

Czas reakcji/ Jitter

µµµµ

s 10

µµµµ

s 100

µµµµ

1ms 10ms 100ms 1s 10s

Taski cykliczne i ongoing

Taski

zwi zane czasowo

Inicjali-

zacja

Tworzenie

Uaktywnienie

Zako czenie

Inicjali-

zacja

Przerwanie

Kontynuacja

Tworzenie

Taski

nie zwi zane czasowo

Przykład statycznego

Scheduler’a

Układ sterowania instalacji nap dowej zawiera nast puj ce taski:

5 ms

25 ms

Regulacja_Hamowania

5 ms

25 ms

Regulacja_Pr dko ci

5 ms

100 ms

Regulacja_Temperatury

10 ms

50 ms

Regulacja_Pr du

Czas wykonania

Okresy

Taski periodyczne

10 ms

100 ms

Pomiar_Drogi

Czas wykonania

Minimalne okresy

Taski aperiodyczne

Minor

cykle

25 ms

Major cykle 100 ms

...

Regulacja_Pr du
Pomiar_Drogi

Regulacja_Temperatury

Regulacja_Hamowania

Regulacja_Pr dko ci

Reakcja

Przypadek 2:

Priorytet ma

proces

obliczeniowy 2

Proces

techniczny 1

Oczekiwanie

1 2 3 4

6 7 8 9

Aktywny proces

obliczeniowy

Maksymalnie dopuszczalny czas reakcji

Reakcja

Przypadek 1:

Priorytet ma

proces

obliczeniowy 1

Proces

techniczny 2

Zapewnienie równoczesno ci przez ustawienie

priorytetów

Oczekiwanie

Niezawodno i dyspozycyjno

Niezawodno :

Niezawodno : zdolno rozpatrywanej jednostki do spełniania

wymaga wynikaj cych z okre lonych celów zastosowania w

ramach zadanych ogranicze , które s postawione przebiegom jej

własno ci podczas okre lonego okresu czasu.

Dyspozycyjno :

Dyspozycyjno : prawdopodobie stwo, e system (rozpatrywana

jednostka) znajduje si w stanie funkcjonowania.

Stany: „

sprawny

” i „

awaria

” s okre lone z prawdopodobie stwem

„

dyspozycyjny

” i „

niedyspozycyjny

” (ich suma = 1).

Okres

dyspozycyjno ci p:

p =

MTBF

MTBF + MTTR

MTBF

MTBF (ang. Mean Time Between Failure) –

redni okres mi dzy awariami

MTTR

MTTR (ang. Mean Time To Repair) – redni

czas napraw

Sprawny

Awaria

TBF

TTR

TBF – Time Between Failure

TTR – Time To Repair

Niezawodno – krzywa wannowa

Okres niedyspozycyjno ci q:

Krzywa wannowa:

Krzywa wannowa:
Przebieg zmian stosunku MTTR/MTBF podczas pracy systemu:
• wczesne awarie (bł dy sprz tu i oprogramowania),
• awarie statystyczne w okresie normalnej eksploatacji,
• pó ne awarie wskutek nadmiernego zu ycia.

MTTR
MTBF

Faza wczesnych

awarii

Chwila uruchomienia

Faza normalnego

u ytkowania

Faza pó nych

awarii

Poziom

awarii

p = 1-

MTBF

MTBF + MTTR

q = 1 -

Charakterystyka niezawodno ci (ang.

relabity) układu (systemu) musi by

okre lona ilo ciowymi wielko ciami mierzonymi, takimi jak np.:

poziom awarii (ang.

failure rate),

dyspozycyjno (ang.

availabity),

redni czas „ ycia”

MTTF

MTTF (ang.

mean time to failure),

redni okres mi dzy awariami

MTBF

MTBF (ang.

mean time between failure).

Wielu producentów w danych dotycz cych produktu podaje poziom awarii.

Dane te s okre lane za pomoc testów, w których elementy pracuj w

specyficznych warunkach. I tak np. poziom awarii elementów elektronicznych

jest zamieszczany w bazach danych zebranych przez szereg równych instytucji.
Je eli rozpocznie si od

No sprawnych elementów od czasu dostawy (t=0), to

po czasie

t jest jeszcze dobrych

N(t)

N(t) elementów. Ró nica

N(t)

N(t) jest liczb

awarii.
Niezawodno

R(t)

R(t) (okre lana tak e jako prawdopodobie stwo „prze ycia”) jest

zdefiniowana zale no ci :

R(t) = N(t) / No

Niezawodno c.d.

Prawdopodobie stwo awarii

F(t)

F(t):

F(t) = 1

–

R(t)

G sto awarii

f(t)

f(t) okre la prawdopodobie stwo, e w okresie czasu

element ulegnie awarii:

f(t) =

(t)/

Odnosz c liczb awarii w czasie t do jeszcze funkcjonuj cych elementów N(t)

uzyskuje si poziom awarii

λλλλ

(t):

λλλλ

(t) = 1/N(t)

d(No

–

N(t))/

1/N(t)

(t)/

1/R(t)

(t)/

Przebieg poziomu awarii w czasie t eksploatacji obiektu jest opisany krzyw

wannow .
W elementach elektronicznych jest podawany poziom awarii w czasie FIT

(ang.

failure in time).

1 FIT = 1 awaria (bł d) w czasie 10

h, wzgl. 10

-9

awarii (bł dów) w 1 h.

Niezawodno mo na okre li na podstawie poziomu awarii

λλλλ

(t) jako:

R(t) =

exp

[

λλλλ

(

ττττ

) d

ττττ

]

Niezawodno c.d.

Niezawodno jest własno ci maszyny (urz dzenia)

technicznego do spełniania swoich funkcji podczas

jej (jego) eksploatacji:

• miar niezawodno ci jest

redni okres mi dzy awariami

MTBF

MTBF (ang.

Mean Time Between Failure), który jest:

a) okre lany empirycznie na podstawie pracuj cego

systemu,

b) obliczany na podstawie poziomu awarii

zastosowanych w systemie składników,

• niezawodno

≠≠≠≠

bezpiecze stwo.

Np. zawodne systemy s bezpieczne, gdy poszczególne

awarie s sprowadzane do bezpiecznego stanu, tzn.

najcz ciej stanu z najni sz energi .

Niezawodno – bł dy i awarie

Bł dy:

bł dy ludzi podczas projektowania, budowy i eksploatacji systemu,
redundancja nie pomaga, a pomocny mo e by jedynie rozproszony rozwój systemu.

Awarie:

awarie s spowodowane czynnikami fizycznymi lub chemicznymi,
przeciwdziałanie (strategia tolerancji) przez:

szczególnie staranny dobór składników, monta , ...
przegl dy zapobiegawcze,
redundancj .

10 %

Obsługa

7 %

15 %

Otoczenie i komunikacja

65 %

25 %

Oprogramowanie

18 %

50 %

Sprz t

Systemy sterowania z

tolerancj bł dów

Systemy sterowania bez

tolerancji bł dów

Udział ródeł bł dów

Pewno (bezpiecze stwo) w systemach sterowania

Koncepcje uzyskiwania pewno ci:

Koncepcje uzyskiwania pewno ci:
• Fail Operational (unikanie bł dów): system jest tak

zbudowany, e wyst pienie awarii jest w wysokim

stopniu nieprawdopodobne.

(

Przykład:

sterowanie samolotem).

• Fail Safe (tolerowanie bł dów): system jest tak

zbudowany, e w przypadku wyst pienia awarii

uzyskiwany jest stan pewno ci obiektu.

(

Przykład:

przejazd przez tory kolejowe - bariera

zamyka si w przypadku awarii sterownika).

Uwaga: pewno i niezawodno mog ze sob

konkurowa !

Dyspozycyjno

Dyspozycyjno V

Dyspozycyjno V jest prawdopodobie stwem, e

system jest zdolny do działania:

V = MTBF/(MTBF + MDT) * 100 [%]

MTBF (ang.

Mean Time Between Failure) – redni

okres mi dzy awariami,
MDT (ang.

Mean Down Time) – redni czas

trwania awarii = czas rozpoznania awarii + czas

naprawy.
Dyspozycyjno mo na zwi kszy przez:
- redundancj ,
- układy diagnostyczne (czas rozpoznania awarii),
- budow modułow (czas naprawy).

Sposoby zwi

kszenia niezawodno

ci i dyspozycyjno

ci:

wybór i zastosowanie wysokowarto ciowych i niezawodnych cz ci,
korzystne warunki pracy,
przegl dy zapobiegawcze,
redundancja sprz tu dla wra liwych na awarie składników takich jak magistrale systemowe, elementy warstwy

u ytkownika, zasilanie w energi (media),
redundancja procesora,
redundancja systemu komputerowego (sterownika).

Pewno (bezpiecze stwo):

zdolno systemu do unikni cia zagro enia dla osób lub rodowiska w okre lonych warunkach (stanach) pracy,
utrata tej zdolno ci jest spowodowana przez bł dy:

- oprogramowania (bł dy specyfikacji, bł dy implementacji),
- sprz tu (awarie urz dze ),

bł dy obsługi,
nieoczekiwane wpływy lub zakłócenia ze strony otoczenia ( rodowiska).

Działania dla zwi kszenia pewno ci (bezpiecze stwa):

rozpoznawanie bł dów, np. przez redundancj lub zgodno (niem.

Plausibilität),

maskowanie bł dów przez redundancj ,
obsługa bł dów,
ograniczanie rozprzestrzeniania si bł dów,
techniki

fail

e: sprowadzanie systemu do stanu bezpiecznego,

metody

Watch

dog

dog: w zadanych odst pach czasu musz wyst pi okre lone aktywno ci, a ich brak jest traktowany

jako bł d.

Bezpiecze stwo i niezawodno – sposoby zwi kszania

Niezawodno (dyspozycyjno ) ró nego

rodzaju systemów

A. Struktura szeregowa:

poszczególne maszyny (urz dzenia) całego systemu s ze sob poł czone szeregowo,
cały system jest tylko wtedy sprawny, gdy ka dy z jego składników jest sprawny,
dyspozycyjno

całego systemu:

= q1 * q2 * ...*

prawdopodobie stwo awarii całego systemu

Ps jest równe sumie prawdopodobie stw

awarii poszczególnych

jego

składników,

sprawno całego systemu jest okre lona najsłabszym ogniwem w ła cuchu.

. Struktura r

wnoleg

wiele maszyn (urz dze ) całego systemu jest poł czonych równolegle,
ka dy ze składników mo e zast pi funkcje innego,
cały system funkcjonuje tak długo jak sprawny jest przynajmniej jeden z jego składników,
prawdopodobie stwo awarii całego systemu:

= p1 * p2 * .... *

równoległe, redundantne składniki zmniejszaj prawdopodobie stwo awarii całego systemu.

Zidentyfikowane przyczyny awarii przemysłowych

Zmiany po odbiorze 20%

Bł dy w zało eniach 44%

Bł dy w projekcie

i realizacji 15%

Bł dy w

wykonaniu

i odbiorach 6%

Bł dy podczas

pracy i w

serwisowaniu 15%

Poziomy nienaruszalno ci bezpiecze stwa

Bezpiecze stwo (pewno ):

Bezpiecze stwo (pewno ):
• jest to zupełnie inna problematyka ni niezawodno : w przypadku awarii nie mo e

wyst powa adne zagro enie, a szczególnie dla ludzi,

• aspekty ekonomiczne, w przeciwie stwie do niezawodno ci, nie odgrywaj tutaj adnej roli,
• je eli niezawodno instalacji najcz ciej jest rz du 99%, to pewno musi by jeszcze

wy sza, prawie 100%, co jednak nigdy nie jest w praktyce osi galne,

• pewno instalacji jest okre lona w normach. Zale nie od wyst puj cego potencjału

zagro e s im przypisane tzw.

klasy bezpiecze stwa

klasy bezpiecze stwa.

Norma i klasy pewno ci:

Norma i klasy pewno ci:
• pewno maszyn jest okre lona w mi dzynarodowej normie PN-EN 61 508,
• norma ta okre la poziomy nienaruszalno ci bezpiecze stwa

SIL

SIL (ang.

Safety Integrity Lewel),

przy czym pewno działania zabezpieczenia ro nie logarytmicznie wraz z numerem klasy.

90,00 – 99,00 %

99,00 – 99,9 %

99,90 – 99,99 %

> 99,99 %

Dyspozycyjno

-1

do 10

-2

do 10

-3

do 10

-4

do 10

-5

Prawdopodobie stwo

wyst pienia bł du w ci gu roku

SIL

Bezpiecze stwo

Pewno

Niezawodno

Dyspozycyjno

Zaufanie

Integralno

Pi filarów bezpiecze stwa

Pewno :

Pewno : nie wyst puje adne zagro enie, brak katastrofalnych skutków

Dyspozycyjno :

Dyspozycyjno : gotowo do wykorzystania

Niezawodno :

Niezawodno : ci gło działania

Zaufanie:

Zaufanie: brak nadu y w wykorzystaniu informacji (nieistotne w systemach

sterowania)

Integralno :

Integralno : informacje nie s zafałszowane (nieistotna w systemach

sterowania)

Ła cuch działa realizowanych podczas obsługi bł dów

Wyst pienie

bł du

Rozpoznanie

bł du

Zgłoszenie

bł du

Ograniczenie

bł du

Obsługa

bł du

Usuni cie

bł du

IP 67

IP 66

IP 65

IP 60

Pyłoszczelno

IP 56

IP 55

IP 54

IP 53

IP 50

Zabezpieczenie przed

pyłem

IP 44

IP 43

IP 42

IP 41

IP 40

Zabezpieczenie przed

cia

ami sta

ymi o rednicy

powy ej > 1 mm

IP 34

IP 33

IP 32

IP 31

IP 30

Zabezpieczenie przed

cia

ami sta

ymi o rednicy

powy ej > 2,5 mm

IP 23

IP 22

IP 21

IP 20

Zabezpieczenie przed

cia

ami sta

ymi o rednicy

powy ej > 12 mm

IP 12

IP 11

IP 10

Zabezpieczenie przed

cia

ami sta

ymi o rednicy

powy ej > 50 mm

IP 00

Brak ochrony

IP ..8

IP ..7

IP ..6

IP ..5

IP ..4

IP ..3

IP ..2

IP ..1

IP ..0

Dotykiem i ciałami

obcymi

Zabezpie-

czenie

przed

skutkami

ci g

ego

zanurzenia

pod wod

Zabezpie-

czenie

przed

skutkami

czasowego

zanurzenia

pod wod

Zabezpie-

czenie

przed

silnym

strumie-

niem wody

Zabezpie-

czenie

przed

strumie-

niem wody

Zabezpie-

czenie

przed wod

rozpry-

skow

(rozbryzgi)

Zabezpie-

czenie

przed mg

wodn

Zabezpie-

czenie

przed

kapi c

wod , przy

pochyleniu

obudowy o

Zabezpie-

czenie

przed

kapi c

wod

Brak

ochrony

Ochrona przed

Stopnie ochrony obudów urz dze elektryczno-elektronicznych

Sterowniki (komputery) przemysłowe w wytwarzaniu

Komputer kierowania

wytwarzaniem

Komputer gniazda

PLC

Sterownik

swobodnie

programowalny

Układ

sterowania

numerycznego

Układ

sterowania

robota

PDA

Zbieranie

danych

produkcyjnych

Planowanie i sterowanie produkcj

(PPC/SFC)

Sterowanie grup stanowisk

(gniazdem wytwórczym)

Materiał

Ta ma

Sygnał

Pełny

Przycisk

Pełny

Od obecnie stosowanych w przemy

le uk

w sterowania

maszyn i urz

dze

, w tym opartych g

wnie na sterownikach

PLC, oczekuje si

spe

nienia nast

puj

cych wymaga

atwo

monta u i demonta u uk

adu sterowania,

mo liwo

szybkiego i

atwego przeprogramowania,

elastyczno polegaj ca na mo liwo ci zastosowa w wielu

ziach przemys

mo liwo

zmian programu w trybie on-line,

mo liwo

monitorowania przebiegu procesu w czasie

rzeczywistym,
nadzorowanie i diagnostyka uk

adu sterowania,

wymiana danych z innymi uk

adami i urz dzeniami inteligentnymi,

niska cena.

Ogólne wymagania dla układów sterowania

Cechy systemów sterowania w nowoczesnych

instalacjach produkcyjnych

Rekonfiguro-

walno

Modularyzacja

maszyny

i instalacji

Wzrost

elastyczno ci

Zdolno do

pracy w sieci

komunikacyjnej

Zdalny dost p

Zmniejszenie

kosztów

Wizualizacja

Diagnostyka

Wymagania

Rodzaje zada automatyzacji realizowanych przez

sterowniki (komputery) przemysłowe

Ogólne zadania sterowników (komputerów) przemysłowych:

Sterowanie przebiegiem procesów,
Zadania regulacji.

Wymagania czasu

rzeczywistego

Kierowanie procesami, zarz dzanie

recepturami,
Interfejs człowiek-maszyna (HMI),
Planowanie i sterowanie produkcj ,
Archiwizacja i oddziaływanie na

wsad (wytop) procesu.

Brak

wymaga czasu

rzeczywistego

Wymagania komputerowych sterowników przemysłowych

stosowanych w systemach automatyzacji

Ogólne wymagania systemów automatyzacji dotycz w

szczególno ci sterowników (komputerów) przemysłowych.

Zdolno do pracy w czasie rzeczywistym:

systemy operacyjne, architektura pami ci.

Wprowadzanie

–

wyprowadzanie sygnałów procesu:

przył czenie elementów wykonawczych, sensorów, systemy

komunikacyjne.

Pewno i niezawodno :

wysokiej jako ci składniki, układy redundantne.

Odporno na oddziaływanie otoczenia:

specjalne obudowy, monta przewodów ł cz cych.

Cechy biurowych PC i mo liwo ci ich

zastosowania w automatyzacji

Cechy biurowego (standardowego) PC:

brak systemu operacyjnego czasu rzeczywistego,
nie zawsze wysokiej jako ci składniki,
standardowo brak interfejsów I/O do procesu,
mało zwarta obudowa,
nie zawsze zapewniona praca ci gła.

Pomimo tego wyst puje tendencja stosowania PC w

niektórych obszarach automatyzacji, takich jak np.:

obsługa i obserwacja (HMI),
archiwizacja danych,
planowanie i sterowanie produkcj (PPC).

Rodzaje sterowników przemysłowych

W zasadzie sterowniki przemysłowe s klasyfikowane ze wzgl du na

swoj budow oraz realizowane przez nie funkcje.

Budowa

System kompaktowy,
System modułowy,
System specjalny.

Kryteria doboru:

Liczba I/O,
Przestrze do zabudowy,
Mo liwo rozbudowy,
Wymagana moc obliczeniowa.

Funkcje

Sterowanie procesem:

• dyskretnie,
• analogowo,

Sterowanie torem ruchu,
Interfejs u ytkownika.

Kryteria doboru:

Zadanie automatyzacji,
Spektrum zada (IPC).

Wymagania funkcjonalne sterowników przemysłowych

Sterowanie przebiegiem procesów:

Przetwarzanie sygnałów procesu,
Jeden program aplikacyjny, który jest „parametryzowany” przez dane procesu,

PLC

PLC (ang.

Programmable Logical Controller).

Kształtowe sterowanie ruchem (obrabiarki, roboty):

Przetwarzanie danych geometrycznych,
Ró ne pogramy technologiczne dla ka dego przedmiotu (procesu),

NC (ang.

Numerical Control),

RC (ang.

Robot Control).

Zadania ogólne

Zadania ogólne (wł cznie z wy ej wymienionymi)

Obsługa i obserwacja, technika kierowania wytwarzaniem,
Du a ró norodno aplikacyjna,

IPC

IPC (ang.

Industrial Personal Computer).

Typowe zadania układów sterowania

Warunki

Działania

Je eli

jest osi gni ty wył cznik kra cowy

wył cz silnik

Je eli

chwytak jest zamkni ty

i urz dzenie mocuj ce otwarte
i klawisz

„załadowa ” wci ni ty

wprowad przedmiot

Je eli

przekroczona jest dopuszczalna temperatura

lub nieosi gni ty minimalny poziom napełnienia
lub przekroczony maksymalny poziom napełnienia
lub uruchomiony wył cznik awaryjny

wł cz sygnał d wi kowy i migaj c lamp

Je eli

(upłyn ł czas oczekiwania

i pojemnik jest pusty)
lub wci ni ty jest przycisk

„napełni ”

otwórz zawór napełniania

Działania logiczne (na sygnałach binarnych)

Działania logiczne w układach sterowania

>=1

I1 I2 I3 I4

(

AND

)

(

AND

(

)

AND

)

(

AND

(

))

((

)

AND (NO

)

AND

)

JE ELI

Sterowanie logiczne kombinatoryczne

Obwód

sterowania,

proces

Funkcje

Bool’a

Funkcje

czasu

Funkcje

pami ci

Wej cia

Wyj cia

Parametryzacja

Obsługa

Zobrazowanie

Przetwarzanie

sygnałów

Sterownik

Obwód

sterowania,

proces

Wej cia

Wyj cia

Parametryzacja

Obsługa

Zobrazowanie

Przetwarzanie

sygnałów

Sterownik

Przebieg

sekwencyjny

n+1

War

Sterowanie sekwencyjne

Obwód

sterowania,

proces

Wej cia

Wyj cia

Parametryzacja

Obsługa

Zobrazowanie

Przetwarzanie

sygnałów

Sterownik

Dajnik czasu

n+1

War

n+1

Sterowanie sekwencyjne w funkcji czasu

Techniczne mo liwo ci realizacji układów sterowania

Układ sterowania programowany przez poł czenia

Wcze niej

Obecnie

elektromechaniczny

elektroniczny

Zbudowany z

styczników, przeka ników, ...

tranzystorów,

zintegrowanych

układów scalonych, ..

Program zawarty w

okablowaniu

Zalety i wady

Wysokie zu ycie energii, du e zapotrzebowanie

miejsca, trudna rozbudowa

Sterownik

swobodnie

programowalny PLC

Procesora, pami ci,

magistrali

oprogramowaniu

Elastyczno

Zastosowanie

komputerowych

sterownik

(np.

PLC

)

w uk

adach

sterowania, w por

wnaniu z uk

adami konwencjonalnymi, ma

nast

puj

ce zalety:

mo liwo

powtórnego wykorzystywania napisanych programów,

modu

owa i blokowa budowa programów, co znacznie skraca czas

wykonania aplikacji,
mo liwo

elektronicznego dokumentowania realizowanych

aplikacji,
mo liwo

nadzorowania i diagnostyki podczas przebiegu procesu,

oszcz dno

czasu podczas wykonywania projektu uk

adu

sterowania i opracowywania oprogramowania,
du a niezawodno

dzia

ania,

prosta i szybka instalacja oraz ma

e gabaryty,

niskie koszty budowy.

Zalety zastosowania sterowników komputerowych

kł

Tryby pracy układów sterowania

Automatyczny tryb pracy

Oprócz przycisków „Start”,

„Stop” i „Wył cznika

awaryjnego” operator nie

ma adnych mo liwo ci

ingerencji.

R czny tryb pracy

Operator wpływa na wyj cia

układu sterowania. Blokady

s cz ciowo aktywne.

Cz ciowo automatyczny

tryb pracy

Tylko cz ci programu s

realizowane bez

konieczno ci ingerencji

operatora.

Tryb ustawiania

Operator wpływa na wyj cia

układu sterowania z

omini ciem blokad.

R cznie ustawiany tryb

pracy

Ustawiany jest tylko jeden

okre lony krok ła cucha

przebiegów (z lub bez

dalszych warunków).

Krokowy tryb pracy

Przez wci ni cie przycisku

uruchamiaj cego program

jest realizowany nast pny

krok programu.

Ka dy układ sterowania mo e pracowa w ró nych trybach, które wynikaj z

mo liwo ci ingerencji operatora

mo liwo ci ingerencji operatora. Ró ne tryby pracy s wymagane podczas

uruchamiania, ustawiania, serwisowania i usuwania zakłóce .

Obraz procesu

w pami ci

wyj ciowej

Obraz procesu

w pami ci

wej ciowej

Program

aplikacyjny

PLC

Proces w

systemie

technicznym

Sygnały do

elementów

wykonawczych

Sygnały z

czujników

(sensorów)

Cykliczna praca sterownika PLC

Budowa układu sterowania ze sterownikiem PLC

Moduł

wyj ciowy

Moduł

wej ciowy

Jednostka centralna

Zasilacz

Pami

programu

Procesor

Urz dzenia wykonawcze/ sygnalizacyjne

Dajniki

sygnałów

Zasilanie elektryczne urz dze

wykonawczych/ sygnalizacyjnych

Zasilanie elektryczne czujników

PLC

Logiczne powi zania sygnałów binarnych

Sformułowanie zadania:

relacja

Je eli

Binarne sygnały wej ciowe

np.

bariera wietlna

przerwana

nie przerwana

czujnik zbli eniowy

pobudzony

nie pobudzony

stan napełnienia

osi gni ty

nie osi gni ty

Czujniki

PROCES

Elementy wykonawcze

Powi zania

logiczne

Zapami tywanie

wyników

po rednich

Znacznik

(

merker)

np.

Realizowana obróbka/

nie realizowana

Binarne sygnały wyj ciowe

np.

silnik

wł czony

wył czony

zawór

otwarty

zamkni ty

siłownik

wysuni ty

wsuni ty

chwytak

otwarty

zamkni ty

Realizacja wcze niej:

Realizacja wcze niej: za pomoc elementów elektrycznych i elektronicznych ł czonych przewodami

obecnie:

obecnie: program PLC

Zasilanie w energi

WEJ CIA

PRZETWARZANIE

WYJ CIA

CPU

Pami

programu

(RAM, EPROM,

EEPROM)

Dopasowanie

sygnału

Przetwarzanie

sygnału

Przetwarzanie

sygnału

Wzmacnianie

sygnału

Komunikacja

Sygnały

binarne

(logiczne)

Sygnały

cyfrowe

(słowa)

Sygnały

analogowe

Sygnały

analogowe

Sygnały

cyfrowe

(słowa)

Sygnały

binarne

(logiczne)

Schemat blokowy działania sterownika PLC

Sprz towe składniki PLC

Moduły

wej ciowe

Moduły

wyj ciowe

Magistrala systemowa

Pami

programu

(EEPROM, RAM)

CPU (Procesor

słowowy,

bitowy)

Interfejs

komputerowy

(V.24, RS485)

Pami

systemowa

(ROM)

Pami

danych

(RAM)

Zasilacz

binarne,

analogowe

i cyfrowe

sygnały

binarne,

analogowe

i cyfrowe

sygnały

Wł czniki

Przyciski

Bariera wietlna

924

Zawór

Lampka

Silnik

Wska nik

Zastosowanie sterowników PLC

PLC

Zmieniacz

narz dzi

Transport

przedmiotów

Ciecz

chłodz co-

smaruj ca

Transporter

wiórów

Blokady

Obrabiarki

Technika

procesowa

Budowa

instalacji

Przemysł

poligraficzny

Przemysł

tekstylny

. . .

Wej cie

Przetwarzanie/ pami

Wyj cie

Moduł jednostki centralnej

Pami programu

Mechanizm steruj cy

Znaczniki

Obraz procesu

Akumulator

Człony czasowe

Liczniki

Jednostka przetwarzaj ca

Magistrala

JEDNOSTKA

WEJ CIOWA

JEDNOSTKA

WYJ CIOWA

Czujniki/sensory

Człony wykonawcze/

nastawiaj ce

Proces techniczny

Urz dzenie steruj ce

Zasilanie

Schemat uk

adu sterowania ze sterownikiem

swobodnie programowalnym PLC

Zasi-

lacz

Pozostałe

moduły

Cyfrowe

wej cia

Cyfrowe

wyj cia

Analogowe

wej cia

Analogowe

wyj cia

Słowowy

CPU

Bitowy

CPU

Pami

Moduł

komunika-

cyjny

Magistrala systemowa

...

Problem:

Problem: Magistrala systemowa jest prawie zawsze specyficzna (firmowa) dla sterownika

Mo liwo :

Mo liwo : Magistrala VME (standaryzowana, niezale na od producenta)

Schemat blokowy wieloprocesorowego sterownika PLC

Sposób działania sterownika PLC

Cykliczne przetwarzanie programu

PLC

Utworzenie stanu pocz tkowego

Zał czenie

Aktualizacja sygnałów wej ciowych

Wykonanie 1. instrukcji

Wykonanie 2. instrukcji

Wykonanie ostatniej instrukcji

Transmisja sygnałów wyj ciowych

. . .

Zapis wyj

Zapis wej

łn

Cykliczne przetwarzanie programu

PLC

Odczyt wej

Instrukcja

Wywołanie podprogramu 1

Instrukcja
Instrukcja
Instrukcja

Wywołanie podprogramu n

Instrukcja

Ustawienie wyj

Instrukcja

. . .

Podprogram 1

Instrukcja

. . .

Powrót

Podprogram n

Instrukcja

. . .

Powrót

Realizacja programu w sterowniku PLC

000 AND

I 1.0

001 AND

I 1.1

002

Q 1.0

003 OR

I 2.0

059 OR

I 3.2

060 =

Q 1.0

END

Mechanizm

steruj cy

Rejestr

instrukcji

Merker’y

Wewn trzne

czasy

Wewn trzne

liczniki

Obraz procesu

dla cyfrowych

i analogowych

wej i wyj

Wej cia

cyfrowe

i analogowe

Wyj cia

cyfrowe

i analogowe

Moduły

czasowe

i liczniki

Magistrala urz dze peryferyjnych (moduł magistrali)

Jednostka centralna (CPU) sterownika PLC

%I1
%I2
%I3

itd.

Moduł

wej cio-

%Q1
%Q2
%Q3
itd.

Moduł

wyj cio-

Aktualiza-

cja stanu

wyj

Aktualiza-

cja stanu

wej

Pami

danych

RAM

Wej cia

%I1 0
%I2 0
%I3 1

%Q1 0
%Q2 0
%Q3 1

Adres

Stan

Adres

Stan

Wyj cia

CPU

Licznik

rozkazów

ALU

Rejestr

rozkazów

Rejestry

robocze

LD %I1

000

Program

u ytkownika

w pami ci

RAM lub

EPROM

Adres

Rozkaz

000 LD %I1

001 AND %I2

002 ST %Q1

003 itd.

n END

Wej cia

Wyj cia

Magistrala systemowa

Schemat ideowy sterownika PLC

Sensory, dajniki sygnałów

Sterownik

Moduł

wprowadzania

Moduł

wyprowadzania

Jednostka

przetwarzaj ca

Obraz

procesu

Merker

AKKU

Licznik

adresów

Człony

czasowe

Człony wykonawcze (

aktuator’y)

lic

Separacja galwaniczna

Magistrala

Budowa sterownika PLC

Wyprowadzenie

odwzorowania

procesu z

pami ci wyj

Załadowanie

odwzorowania

procesu do

pami ci wej

Realizacja

programu

Pocz tek

1. cyklu

Pocz tek

2. cyklu

Pocz tek

3. cyklu

Pocz tek

4. cyklu

Zdarzenie

w procesie

Reakcja na

zdarzenie

w procesie

Czas reakcji

Przebieg cyklicznego wykonywania programu PLC

Sposób działania sterownika PLC

Okre lenie maksymalnego czasu reakcji:

Czas cyklu PLC jest w przybli eniu

proporcjonalny do liczby wykonywanych

instrukcji programu.
Zale nie od tego, jakie gał zie w programie

s wykonywane, uzyskuje si ró ne czasy

cyklu.

Rozpatrywanie

Worst-Case:

Je eli wkrótce po rozpocz ciu cyklu PLC

zmieni si sygnał wej ciowy, to jest to

uwzgl dniane dopiero w nast pnym cyklu po

aktualizacji wej ciowych stanów procesu.
Reakcja, tzn. wyprowadzenie odpowiednich

sygnałów wyj ciowych, nast puje dopiero po

zako czeniu tego drugiego cyklu – przy

aktualizacji wyj ciowych stanów procesu.

Podstaw przy

okre laniu

maksymalnego

czasu reakcji jest

maksymalny czas

cyklu.

Maksymalny czas

reakcji osi ga

prawie dwukrotn

warto

maksymalnego

czasu cyklu.

Sprz t sterownika PLC

Minimalna konfiguracja sterownika PLC obejmuje:

Minimalna konfiguracja sterownika PLC obejmuje:
• jednostk centraln z procesorem i pami ci (CPU),
• jednostki wej ciow

I i wyj ciow

O dla sygnałów binarnych,

• zasilacz.

Najcz ciej istnieje mo liwo rozszerzenia sprz tu PLC o:

Najcz ciej istnieje mo liwo rozszerzenia sprz tu PLC o:
• dodatkowe jednostki wej i wyj (np. analogowe I/O, interfejs sieciowy),
• moduły dodatkowe dla szczególnych zada (np. regulator PID).

Przykładowa konfiguracja modułowego PLC

Zasilacz

CPU

Inter-

fejs

siecio-

Modu-

ły

I/O

Uwaga:

Zakres funkcyjny

obecnych sterowników PLC

obejmuje znacznie wi ksze

mo liwo ci przetwarzania

ani eli tylko zwykłe działania

logiczne na sygnałach

binarnych!

Programatory sterowników PLC

Sterownik swobodnie programowalny PLC:

Sterownik swobodnie programowalny PLC:
• programy

nie mog by

zmieniane podczas ich

wykonywania,
• dlatego te PLC zwykle nie ma monitora i klawiatury,
• zamiast tego stosuje si zewn trzne programatory.

Przeno ny programator

na bazie

mikrokomputera:
• zintegrowany monitor,
• programator EPROM.

Prosty r czny

programator :
• wy wietlacz LCD,
• klawisze funkcyjne.

Standardowy komputer

PC:
• handlowy PC,
• system programowania

dla PLC.

Programowanie PLC

J zyki programowania PLC wg PN

EN 61131

Lista

instrukcji

(

Instruction

List)

Tekst

strukturalny

(

Structured

Text)

Schemat

drabinkowy

(

Ladder

Diagram)

J zyk

modułów

funkcyjnych

(

Function

Block Diagram)

FBD

J zyk

przebiegów

funkcyjnych

(

Sequential

Function

Chart)

SFC

Start:

AND

...

i = k

THEN

...

ELSE

....

Q 2.4

I 1.2 I 2.2

I 5.4

Q 8.3

I 3.4

I 3.1

M 2.5

Q 4.3

S 1

S 2

S 8

T 1

T 8

T 9

T 2

J zyki tekstowe

J zyki graficzne

Zorientowane na działania logiczne

Zorientowany na

działania

sekwencyjne

Przykład programowanie PLC w ró nych j zykach

I1.1 I1.0

I1.2

I1.0 I1.1 I1.2

Q2.0

Q2.1

>=1

I1.1

I1.0

I1.2

I1.0
I1.1

I1.2

Q2.0

Q2.1

0000

LDN

I1.1

0001

ORN

I1.2

0002

AND

I1.0

0003

Q2.0

0004

I1.0

0005

ANDN

I1.1

0006

ANDN

I1.2

0007

Q2.1

Program w

schemacie

drabinkowym LD

Program w

modułach

funkcyjnych FBD

Program w li cie

instrukcji IL

Przykład układu sterowania prac nawrotn asynchronicznego

silnika elektrycznego (technika przeka nikowo-stycznikowa)

Obwód sterowania

S1, S2 – cewki styczników

S1 i

S2,

s1, s2 – styki pomocnicze styczników

S1 i

S2,

PT1, PT2 – styki przeka ników termicznych

PT1

PT1 i

PT2

PT2.

WYŁ

ZAŁ 1

prawo

PT1

ZAŁ 2

lewo

PT2

= 24 V (~230V)

Podtrzymanie

Blokada

Styki główne

stycznika

(

ruch w prawo

)

Bezpieczniki

Grzejniki

przeka nika

termicznego

PT1

Styki główne

stycznika

(

ruch w lewo

)

Obwód pr dowy

3 x 400 V

Grzejniki

przeka nika

termicznego

PT2

Ograniczanie przepi podczas wył czania styczników

Obci enie

indukcyjne

Człon gasz cy - warystor

Człon gasz cy – obwód RC

Człon gasz cy – dioda

Stycznik

Wsuwany człon gasz cy z diod

Sterowanie sekwencyjne jednostk wiertarsk –

programowanie przez poł czenia

ŁD1

ŁD2

ŁD3

ŁD2

ŁD1

ŁD3

WYŁ

ZAŁ

Fazy (kroki) cyklu pracy jednostki:

Fazy (kroki) cyklu pracy jednostki:
1 – ruch szybki do przodu,
2 – ruch roboczy,
3 – szybkie wycofanie

Układ przeka nikowo

stycznikowy

Jednostka wiertarska – zespół posuwowy

ŁD1

ŁD2

ŁD3

Zderzak

ŁD1, ŁD2, ŁD3 – ł czniki drogowe,

S1, S2, S3 – cewki styczników

s1, s2, s3 – styki pomocnicze styczników.

Podtrzymanie

(styki zwierne)

Blokady

(styki

rozwierne)

Stan: pocz tek cyklu

Program PLC sterowania prac jednostki wiertarskiej

w schemacie drabinkowym LD

WYŁ

ZAŁ

ZAŁ ID1 ID2 s2

Faza cyklu:

WYŁ

ID2 ID3

Faza cyklu:

ID3

WYŁ

ID1

Faza cyklu:

ID1, ID2, ID3 – inicjatory drogowe,

np. indukcyjne czujniki zbli eniowe

Jednostka wiertarska –

zespół posuwowy

ID1

ID2

ID3

Zderzak

Przykład: nale y zrealizowa układ przeł czania

gwiazda

trójk t

trójk t ( ) podczas

rozruchu silnika. Stycznik

podaje napi cie z sieci elektrycznej, stycznik

zapewnia poł czenie uzwoje silnika w gwiazd , a stycznik

ich poł czenie w

trójk t. Silnik powinien pracowa dla poł czenia w gwiazd przez czas

3 s

, a

nast pnie zosta przeł czony w trójk t.

V2 U2

TOF

Wej cie

Wyj cie

Czas

opó nienia

Opó nienie wył czania

Rozruch silnika – przeł czanie gwiazda/trójk t

TON

Wej cie

Wyj cie

Czas

opó nienia

Opó nienie zał czania

Upływ czasu

opó nienia

TOF

T#3s

OFF

Zał. K1 i K2

Zał. K1 i K3

L1
L2
L3

U1
V1
W1

W2
U2
V2

Logiczne kombinatoryczne i sekwencyjne układy

sterowania na PLC

Sterowanie logiczne kombinatoryczne:

• sygnały wej ciowe s cyklicznie odczytywane i w ka dym cyklu jest im

przyporz dkowywany jednoznaczny stan sygnałów wyj ciowych,

•

przykład:

alarm akustyczny jest uruchamiany, gdy

wentylator 1

ma awari

wentylator 2

ma awari

agregat jest zał czony

• pomi dzy przyczyn i zadziałaniem upływa do dwóch cykli PLC.

Sterowanie sekwencyjne:

• przebieg krokowy

n+1

krok mo e wyst pi dopiero wtedy, gdy jest zako czony

krok

i spełnione s warunki dalszego przeł czenia,

• je eli program jest podzielony na kroki, to s one w nim wykonywane cyklicznie,

•

sterowanie sekwencyjne w zale no ci od czasu:

sterowanie sekwencyjne w zale no ci od czasu: warunki dalszego przeł czania

s zale ne tylko od upływu czasu (np. sterowanie sygnalizacji wietlnej),

•

sterowanie sekwencyjne zale ne od procesu:

sterowanie sekwencyjne zale ne od procesu: warunki dalszego przeł czania s

zale ne od sygnałów procesu (np. sterowanie wielu siłowników w funkcji drogi).

Cz sto wyst puj oba rodzaje sterowania (mieszane)!

Zalety opracowywania programów PLC

zgodnie z norm

EN 61131

Wymiana do wiadcze i technologii pomi dzy

producentami sprz tu i oprogramowania,
Wymienialno programów aplikacyjnych pomi dzy

równymi systemami PLC,
Mniejsze nakłady na szkolenie i wdra anie

programistów PLC,
Niezale ny od producentów PLC rozwój dodatkowych

pakietów, takich jak np. do obsługi i obserwacji,
Testowanie i weryfikacja systemu przez niezale ne,

uznane w skali mi dzynarodowej instytucje.

Mo liwe skutki bł dów w programach PLC

Zale nie od tego w jakiej fazie realizacji projektu automatyzacji zostanie wykryty bł d

w programie PLC mo e on mie ró ne skutki:

producenta

maszyny

u ytkownika

maszyny

Opracowanie

programu

Uruchamianie

maszyny

Eksploatacja

maszyny

• (małe) nakłady na usuwanie bł dów,
• (małe) opó nienia w projekcie,

• uszkodzenia maszyny,
• opó nienie odbioru maszyny

zamro enie kapitału, straty w wyniku kar),

• nakłady producenta maszyny na

usuwanie bł dów u jej u ytkownika,

• przestoje w produkcji,
• utrata image producenta maszyny.

Zaleca si :

Zaleca si :
• tworzenie w miar mo liwo ci bezbł dnych programów PLC (przez systematyczne

działania podczas ich opracowywania),

• wykrywanie bł dów przed dostarczeniem maszyny (przez obszerne testy programu).

Testowanie i uruchamianie programów PLC

rodowisko programowania:

edytor, debugger, kompilator, symulacja
Konfigurator systemu:

przyporz dkowanie tasków,

dopasowanie adresów sprz tu,

parametryzacja.

Manager komunikacyjny:

transmisja programu PLC do sterownika

Uruchamianie i zatrzymywanie PLC

Wył czanie fizycznych wyj PLC
Monitorowanie:

wy wietlanie statusu zmiennych,

czytanie danych systemowych PLC, informacji komunikacyjnych i

sieciowych.
Forcing:

„wymuszanie” okre lonych obszarów pami ci PLC,

symulacja stanów maszyny dla sprawdzenia realizacji

poszczególnych cz ci programu.

PLC

Testowanie programów PLC

rodowisko

testowania

Programista

rodowisko

rozwojowe

• Rozwój testu, tzn.

planowanie

przeprowadzanych

testów.

• Obserwacja i

ocena przebiegu

testów.

• Porównanie

przebiegów ze

specyfikacj .

• Analiza bł dów,

analiza programu.

Programator i

urz dzenie do

testowania:

• debugowanie z

Power-Flow.

Odwzorowanie

warunków

technicznych

przebiegu procesu

dla sterowania:

• proste wł czniki i

wy wietlacze

(lampki),

potencjometry i

silniki,

• modele (cz stkowe)

instalacji/ maszyny,

• systemy

symulacyjne.

PLC:
• moduły wej ciowe

i wyj ciowe,

• cykliczny sposób

pracy.

Aktualny stan

procesu

Zadawanie

sygnałów

Wyj cia

Wej cia

Przykłady bł dów i podejmowanych działa

Bł dy w komputerze (sterowniku):

Bł dy w komputerze (sterowniku):
Do czasu uruchomienia, np.:
• bł dy specyfikacji,
• bł dy wymiarowania,
• bł dy programowania,
• bł dy wytworzenia kodu.
Po uruchomieniu, np.:
• bł dy w pami ci (RAM, ROM),
• bł dy w CPU,
• bł dy w modułach I/O,
• bł dy wskutek zmian programu.

Działania dla unikni cia bł dów:

Działania dla unikni cia bł dów:
• zastosowanie CASE-Tools,
• projektowanie strukturalne,
• sprawdzanie EMC( ang.

Elektromagnetic Compatibility),

• symulacja,
• analiza programu,
• sprawdzanie wzorcowej budowy,
• ró norodne zespoły rozwojowe.

Działania dla opanowania bł dów:

Działania dla opanowania bł dów:
• redundantny Hardware,
• redundantny

Software,

• testy pami ci,
• testy I/O,
• testy CPU,
• ponownie wczytywane wyj cia.

Rozkład bł dów w instalacjach sterowanych przez PLC

100

90
80
70
60
50
40
30
20
10

ł a

Instalacja

PLC

CPU

Dajniki

sygnałów
Urz dzenia

nastawiaj ce
Nap dy
Okablowanie

Moduły

wej i

wyj

Pami

Mechanizm

steruj cy

Magistrala

Zasilanie w

napi cie

PLC

CPU

PHARAO 24DC

Theben

LOGO 230RC

Siemens

ALPHA XL

Mitsubishi

KST 2032

Hensel-Electronic

EASY 800

Moeller

ZELIO

Logic

Schneider-Electric

Przykłady kompaktowych sterowników PLC

IP 65

IP 20

Stopie ochrony

Picosoft

Support ZEN

Pharao

Alpha-Software

Easy Soft

Logo Soft

Narz dzie do programow.

Logika, licznik,

czasy, porów.

b.d.

Logika, licznik,

czasy, porów.

Logika, licznik,

czasy, porów.

Logika, licznik,

czasy, artytmet.

Logika, licznik

Funkcje

Zegar

Zegar, 17 kl.

Zegar

Kalend., zegar

Kalendarz, zegar

Pozosta

e cechy

0 ... +55

-25 ... +55

0 ... +55

Temperatura otoczenia

5kByte

Pami

danych

200

Program. bloki funkcyjne

Zintegrowane funkcje

126x110x70

220x185x120

125x90x22

125x90x52

108x90x72

72x90x55

Wymiary sz x w x gł w mm

Mo liwo

rozszerz. I/O

1 (opcjonalnie)

Wyj cia analogowe

Separacja galwaniczna

przeka nikowe

6 przeka nik.,

2 binarne

9 (przeka nik.,

4 x 8A, 5 x 4A)

9 (przeka nik.)

6 lub 8 (przeka .

lub tranzystor.)

4 (przeka nikowe)

Wyj cia cyfrowe

Separacja galwaniczna

2 x 0 ... 10V

8 x 0 ... 5V

4 (opcjonalnie)

Wej cia analogowe

Tak

Nie

Separacja galwaniczna

Wej cia cyfrowe

24V DC

24V i 230V AC

24V DC

230V AC

24V DC

100 - 240V AC

12V i 24V DC

115V i 240V AC

115V AC, 240V

AC/DC

Zasilanie pr dowe

Schneider El.

Hensel Elekt.

Theben

Mitsubishi

Moeller

Siemens

Producent

Zelio Logic

KST2032

Pharao

24DC

Alpha XL

Easy 800

LOGO 230RC

Typ

Przykłady kompaktowych sterowników PLC

Podzia

sterownik

w PLC:

w PLC: ma

e (odpowiadaj ce 50-150 przeka ników), rednie (odpowiadaj ce 150-500

przeka ników) oraz - du e (odpowiadaj ce 500-3000 przeka ników).

Ponadto s oferowane sterowniki PLC o

zwi kszonej niezawodno ci (z redundancj ), przeka niki (modu

y) inteligentne (mikrosterowniki), sterowniki

PLC zintegrowane z panelem operatorskim oraz sterowniki na bazie komputerów PC (Slot-PLC i Soft-PLC).

Liczba wej /wyj (I/O) w poszczególnych modelach sterowników PLC ci gle ro nie i dlatego te przy ich

porównywaniu nale y bra pod uwag zakres funkcjonalny.

Rodziny sterownik

w (

ang.

family concept

) charakteryzuj

tym,

e ich okre

lone modele:

- mog by programowane w tym samym j zyku i przy u yciu tego samego pakietu programowego,

- maj takie same zmienne programowe oraz t sam struktur modu

ów I/O,

- istnieje mo liwo

przenoszenia programów mi dzy poszczególnymi modelami sterowników oraz

korzystania z tych samych opcji w ka dym z modeli.

Ranking producent

w sterownik

w PLC jest nast

puj

cy:

- mikrosterowniki PLC:

Siemens, Mitsubishi, Allen-Bradley, GE Fanuc,

- ma

e i rednie PLC:

Siemens, Mitsubishi, Allen-Bradley, Omron, GE Fanuc,

- du e sterowniki PLC:

Allen-Bradley, Siemens, Modicon, GE Fanuc,

- PLC o zwi kszonej niezawodno ci:

Triconex, August, Triplex,

- nadzorowanie PLC i interfejsy programowe:

Intellution, US Data, Wonderware, Iconics, Heuristics

(Onspec) oraz Laboratory Technologies.

Klasyfikacja i producenci sterowników PLC

Sterowniki starego typu

Sterowniki starszego typu

Nano:

poni ej 15 I/O

Nano:

0 – 64 I/O

Mikro:

16 - 128

Mikro:

65 - 128

rednie:

129 - 511

rednie:

129 – 256

Du e:

512 i wi cej

Du e:

256 i wi cej

Klasy układów sterowania ze sterownikami PLC

Kompaktowe PLC

Modułowe PLC

Soft-PLC

CNC

PLC

Silniki

Człony

wykonawcze

Sensory

Rozproszony układ sterowania

PLC

Master

Slaves

Magistrala

szeregowa

Magistrala

szeregowa

Przemysłowy PC

Zintegrowane PLC

Silniki

Człony

wykonawcze

Sensory

Magistrala

równoległa

CNC

PLC

Pami

Cechy charakterystyczne PLC

Sterownik PLC jest specjalnym systemem komputerowym do realizacji zada

automatyzacji, które s rozwi zywane przewa nie przez binarne układy sterowania

logicznego i sekwencyjnego.

Typowymi cechami charakterystycznymi PLC s :
• obszar zastosowa : automatyzacja z pomiarami, sterowaniem i regulacj (PSR),
• odporna budowa urz dzenia dla pracy w surowych warunkach produkcyjnych,
• odporno na działanie rodowiska, du a odporno na zakłócenia i niezawodno ,
• okre lone przebiegi w przypadku zakłóce i ponownym uruchomieniu,
• brak pami ci masowych takich jak twardy dysk czy CD-ROM,
• binarne, analogowe i cyfrowe wej cia i wyj cia (najcz ciej odkłócone, z separacj

galwaniczn i odporne na zwarcie),

• komunikacja z innymi (sterownikami) przez systemy magistralowe (sieciowe),
• brak lub proste i odporne urz dzenia obsługi (HMI),
• programowanie za pomoc oddzielnego programatora lub PC,
• zorientowane na aplikacje j zyki programowania (IL, LD, FBD, ST,SFC),
• cykliczne wykonywanie programu.

Rodzaje budowy sterowników PLC

Konwencjonalny PLC

Zintegrowany ze sterowaniem

Slot-PLC w PC

Soft-PLC z PC

Zalety:

Zalety:
• du a odporno ,
• wysoka niezawodno .

Wady:

Wady:
• funkcje obsługowe na zewn trz,
• komunikacja wymaga du ych nakładów.

Bazowe układy sterowania:

Bazowe układy sterowania:
• układy sterowania

numerycznego CNC (ang.

Computerized Numerical

Control),

• układy sterowania

robotów RC (ang.

Robot

Control).

Wady:

Wady:
• elastyczno zmniejsza niezawodno ,
• I/O przył czane tylko przez sie .

Wady:

Wady:
• I/O przył czane tylko przez sie .
• koszty karty PLC.

Zalety:

Zalety:
• elastyczno PC,
• dobrze realizowalne funkcje

obsługowe,

• ró norodna komunikacja

Zalety:

Zalety:
• odporno i niezawodno dzi ki

specjalnym kartom PLC,

• cz

stanowi ca PC dla funkcji

obsługowych i komunikacyjnych

Zmiany zachodz ce w rozwoju uk

adów sterowania

i szanse zastosowania IT (ang.

Information Technology)

1970

1980

1990

2000

Rok

Udział zastosowa

100%

Komputery przemysłowe

PLC

Układy sterowania w

technice

przeka nikowej

(sprz towe)

Układy

Soft

PLC

Sieci

Fieldbus

Inteligentne moduły I/O

Komputery IPC

Warto sprzeda y [bln $]

Liczba jednostek [mln szt.]

1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 rok

Rozwój wiatowego rynku sterowników PLC

Soft-PLC

(Windows NT)

InControl

Wonderware

Sprz towy PLC
Soft-PLC

PLC5, Logix500
SoftLogix5

RSLogix5

Rockwell

ControlLogix

(Rockwell Automation)

Sprz towy PLC
Slot-PLC
Soft-PLC

S7-SPS
S7-Slot-SPS
S7-Soft-SPS (WinNT)

Step 7
Win AC Pro
Win AC Basis

Siemens

Step 7 (Siemens)

Sprz towy PLC
Sprz towy PLC

(OS-9)

SMART I/O

PEP
OR Indus. Comp

ISaGRAF

(CJ International)

Sprz towy PLC
Sprz towy PLC
Sprz towy PLC

FP
A, FX
MAS 700

NAisControl
MELSEC MEDOC
Selecontrol

Matsushita
Mitsubishi
Selectron

Soft Control (Softing)

Slot-PLC

Interbus-Controller

PC Worx

Phoenix Contact

MULTIPROG wt

(Klöper&Wiege)

Sprz towy PLC
Soft-PLC
Sprz towy PLC
Soft-PLC
Sprz towy PLC

M1
PC (Windows NT)
Fieldbuscontroler
VME (RTOS-UH)
S5, S7

TwinCat

CoDeIEP
ACCON-ProSys

Bachmann
Beckhoff

ATR/IEP
DELTALOGIC

CoDeSys (Smart

Software Solutions)

Typ PLC

System docelowy

Produkt

Producent

System bazowy

Systemy programowania sterowników PLC i ich

platformy docelowe

Głównymi cechami sterowników PAC s :

wspomaganie ró nych funkcji automatyzacji, ł cznie z logik ,

ruchem, nap dem i sterowaniem procesów z jednolit platform ,

jest tylko jedna platforma aplikacyjna dla wielu dziedzin ze

wspólnymi nazwami dni i centralnym bankiem danych dla dost pu

do wszystkich parametrów i funkcji,

narz dzia programowe, które umo liwiaj projektowanie

zorientowane na przebieg procesu dla wielu maszyn lub jednostek

zwi zanych z realizacj procesu,

otwarte, modułowe architektury, które s oparte na procesach

wytwarzania – od

Layout’u maszyn w fabrykach a do jednostek

produkcyjnych w instalacjach realizuj cych procesy,

stosowanie standardów

de-facto dla interfejsów sieci

komunikacyjnych i j zyków (np.: TCP/IP, OPC, XML i j zyka

zapyta SQL), tak e w systemach sieciowych mo liwa jest

wymiana danych mi dzy urz dzeniami ró nych producentów.

Wymiana informacji poza proces produkcyjny oraz wł czenie

zakładu wytwórczego do aplikacji ERP i zarz dzania produkcj na

poziomie przedsi biorstwa zapewniaj warunki dla tzw.

„

Colaborative Manufacturing”.

Dzi ki zintegrowanemu rodowisku PAC u ytkownicy mog zmniejszy

swoje koszty in ynierskie, natomiast oferenci maj mo liwo

dostarczania wi kszej funkcjonalno ci na jednolitej platformie (z jednej

r ki). daniem wielu u ytkowników jest mo liwo lepszego

nadzorowania i sterowania poł czonych ze sob urz dze . Ponadto

nie chcieliby si oni koncentrowa na wyborze sprz tu, lecz na

pierwszym planie mie do dyspozycji całe mo liwo ci. W obu tych

przypadkach sterowniki PAC zapewniaj rozwi zanie.

Architektura PAC (ang.

Programmable Automation Controller)

Polepszona integracja architektur urz dze automatyzacji skłoniła niektórych ich oferentów do opracowania architektury

sterowników PAC (ang.

Programmable Automation Controller). PAC rozszerza funkcjonalno tradycyjnego sterownika PLC, w

którym wspomaganych jest wiele dziedzin sterowania.

Przykładami sterowników PAC s :

Przykładami sterowników PAC s : „CX1000” firmy

Beckhoff, „Rodzina-S7” Siemens’a, „ControlLogix”

Rockwell Automation lub „PACSystems” firmy GE

Fanuc Automation.

Wspólny

kalendarz,

centralny bank

danych

Sie

urz dze

Sie

sterowania

Logika

HMI

Sterowanie

procesem

Ruch

Nap dy

Sie

ruchu

HMI

DCS

Nap dy

Sterowanie

ruchem

Wspólna

platforma

aplikacyjna

Logika

Wspólny

kalendarz,

centralny bank

danych

Separacja galwaniczna układów elektronicznych

sterownika PLC za pomoc optoizolatorów

Wej cie

Elektronika PLC

Optoizolator

24V

Wyj cie

+24V

PLC

+5V

Przyczyny wypadków przy pracy na maszynach

50% - zachowanie ludzi

26% - przyczyny techniczne

12% - przyczyny

psychologiczne

11% - przyczyny organizacyjne

1% - stanowisko pracy

Połowa wszystkich miertelnych wypadków przy pracy wynika

z zachowania si obsługi (operatora)!

• bezpiecze stwo oznacza odpowiedni stopie ryzyka,
• wg normy „...

Stan, w którym ryzyko nie jest wi ksze ni ryzyko graniczne“.

Absolutne bezpiecze stwo w technice nie jest mo liwe do uzyskani

Bezpieczny układ sterowania musi by wykonany w taki sposób, eby

bł dy elementów składowych tego układu i inne mo liwe działania nie powodowały

niebezpiecznych (gro nych) stanów maszyny/ instalacji.

Przykłady:

Przykłady: prasy, schody ruchome, windy, pojazdy szynowe, instalacje chemiczne,

elektrownie lub samoloty.

Ryzyko

Ryzyko graniczne

małe

du e

Bezpiecze stwo

Zagro enie

Bezpiecze stwo - ryzyko

Aspekty bezpiecze stwa

Sterownik PLC, podobnie jak i pozostałe składniki wyposa enia

elektrycznego maszyny lub instalacji, musi spełnia okre lone

wymagania bezpiecze stwa, tzn. przy wyst pieniu bł dów nie mog

by poszkodowani ludzie.
Sposoby spełnienia tych wymaga s zawarte m.in. w odpowiednich

normach.

Zagadnienia zwi zane z bezpiecze stwem dotycz m.in.:

Zagadnienia zwi zane z bezpiecze stwem dotycz m.in.:
• urz dze wył czania awaryjnego,
• zabezpiecze przed niepo danym ponownym zał czeniem,
• zabezpiecze przed przebiciem na mas ,
• zabezpiecze przed przerwaniem przewodów,
• granicznych urz dze bezpiecze stwa,
• programowych aspektów bezpiecze stwa (obsługa alarmów, przebiegi

uruchamiania, ...).

Zabezpieczenie przed przerwaniem przewodu

Wymagania:

• przerwanie przewodu nie mo e prowadzi do

niezamierzonego wł czenia elementu wykonawczego,

• je eli przerwanie przewodu prowadziłoby do tego, e

równocze nie byłyby wprowadzane rozkazy

Start

Stop

, to rozkaz

Stop

’u powinien mie pierwsze stwo.

Realizacja:

• zał czenie elementu wykonawczego odbywa si za

pomoc styków

zwiernych

(przy potwierdzeniu do

sterownika dostarczany jest sygnał „

”: „

zasada

pr dowa

pr dowa”),

• wył czanie elementu wykonawczego odbywa si

przez styki

rozwierne

(przy potwierdzeniu do

sterownika dostarczany jest sygnał „

”: „

zasada

bezpr dowa

bezpr dowa”),

• odpowiedni dobór kolejno ci instrukcji w programie.

I3 I4 I5 I6 I7

Q3 Q4 Q5 Q6

PLC

Aspekty bezpiecze stwa dla urz dze wył czania

awaryjnego

Wymagania:

Realizacja:

• wyst pienie niebezpiecznego stanu powoduje wył czenie

elementów wykonawczych i nap dów, przez które powstaj

ewentualne niebezpieczne stany (np. nap d wrzeciona) i

ustawienie trybu awaryjnego dla tych zespołów, których

wył czenie spowodowałoby ewentualne stany niebezpieczne

(np. urz dzenia mocuj ce),

• zabezpieczenie przed samoczynnym ponownym zał czeniem,
• potwierdzenie musi by przyj te przez sterownik i ocenione

przez program PLC,

• obwód wył czenia awaryjnego musi by wykonany niezale nie

od PLC w technice bezpiecze stwa.

• unikanie programowania okablowania w PLC,
• bezpr dowe wył czanie wielopozycyjnych zaworów z blokad

w układach pneumatycznych i hydraulicznych,

• bezpr dowe zał czanie hamulców (luzowników) w silnikach

elektrycznych.

1. Normy grupy A (EN

12100

)

Przeznaczone s one do okre lenia podstawowych definicji oraz zasad konstrukcji

zwi zanych z bezpiecze stwem pojedynczych składników stosowanych we

wszystkich maszynach.

2. Normy grupy B

Przeznaczone s one do okre lania aspektów bezpiecze stwa lub rodzaju urz dze

zwi zanych z bezpiecze stwem dla całego szeregu maszyn, aparatów i urz dze :

a/ normy typu B1 odnosz si do specjalnych aspektów bezpiecze stwa, takich jak:

bezpieczne odst py, temperatury powierzchni, hałas,

b/ normy typu B2 odnosz si do urz dze wpływaj cych na bezpiecze stwo, takich

jak: wł czenie obur cz, blokady, oddzielaj ce elementy ochronne.

3. Normy grupy C

Przeznaczone s one do okre lenia szczegółowych wymaga bezpiecze stwa dla

okre lonej maszyny lub grupy maszyn.
Uwaga: Nale y pami ta o tym, e je eli maszyna jest budowana w oparciu o norm

C, to automatycznie spełniona jest dyrektywa maszynowa.
Przy braku normy C dla danej maszyny u ywane s normy A i B w celu wykazania

zgodno ci z dyrektywami wyszczególnionych, istotnych cz ci danej maszyny.

Aspekty bezpiecze stwa maszyn - normy

Hierarchia europejskiego systemu norm dla

bezpiecze stwa maszyn

Normy typu C

Specyficzne cechy bezpiecze stwa dla poszczególnych rodzajów

maszyn

Normy typu B

Normy typu B1

Normy typu B2

Ogólne aspekty

bezpiecze stwa

Odniesienie do

specjalnych urz dze

bezpiecze stwa

Normy typu A

Zalecenia dotycz ce

projektowania, podstawowe

poj cia bezpiecze stwa

Podstawowe normy

bezpiecze stwa

Grupowe normy

bezpiecze stwa

Specjalistyczne

normy

bezpiecze stwa

Zasady bezpiecze stwa maszyn - zharmonizowane normy UE

Dyrektywa maszynowa

Obróbki cieplne

Guma i tworzywa

sztuczne

Obuwie

ochronne

Prasy

hydrauliczne

Prasy

mechaniczne

Pakowanie

Przemysł

skórzany

B2 Blokady

Obsługa

dwur czna

Maty i płyty

bezpiecze stwa

Ryzyko

B2 Wyposa enie

elektryczne

B1 Pr dko ci

Rozruch

Układy sterowania

Not-OFF

Normy

Dyrektywa maszynowa

EN ISO

12100

Centra obróbkowe

EN 2417

Małe tokarki NC

EN 12415

Roboty przemysłowe

EN 775

Prasy hydrauliczne

EN 693

Prasy mechaniczne

EN 692

Maszyny do formowania przez rozdmuchiwanie

EN 422

Maszyny do odlewania pod ci nieniem

EN 201

Normy dotycz ce

bezpiecze stwa

wyrobów

Normy typu C

Bezstykowe urz dzenia bezpiecze stwa

EN 61496

Elektryczne wyposa enie maszyn

EN 60204

Urz dzenia blokuj ce w układach sterowania

EN 1088

Doprowadzanie energii / - odł czanie

EN 1037

Istotne ze wzgl du na bezpiecze stwo cz ci

układów sterowania

EN 954-1

Urz dzenia separacji ochronnej

EN 953

Układy obsługi dwur cznej

EN 574

Urz dzenia wył czania awaryjnego NOT-OUT

EN 418

Normy typu B2

Minimalne odległo ci

EN 394

Bezpieczne odst py (odległo ci)

EN 294

Grupowe normy

bezpiecze stwa

Normy typu B1

Ocena ryzyka

EN 1050

Ogólne wskazówki dotycz ce projektowania

ENISO 12100

Podstawowe normy

bezpiecze stwa

Normy typu A

Typowe przykłady

Oznaczenie

Typ normy

Przykłady norm zwi zanych z bezpiecze stwem

(wykaz niepełny)

Analiza i o

cena ryzyka wyst

pienia b

du w oparciu o dyrektywy i normy

EN/ISO

Dyrektywy Nowego Podej cia WE (obowi zuje od 1989 r.):
• nowa dyrektywa maszynowa nr

2006/42/WE

2006/42/WE obowi zuj ca od 29.12.2009r., która dotyczy maszyn

nowych (zast piła ona star dyrektyw maszynow nr 37/98),

• dyrektywa napi ciowa nr

73/23

73/23,

• dyrektywa kompatybilno ci elektromagnetycznej nr

89/336

89/336,

• dyrektywa oceny zgodno ci CE nr

93/465

93/465 (oznakowanie CE wynika z normy PN EN),

• dyrektywa u ytkowania maszyn podczas pracy nr

89/655

89/655 (dotyczy maszyn istniej cych - starych),

W Polsce procedura o systemie oceny zgodno ci została wprowadzona ustaw z dnia 30 sierpnia

2002 r., opublikowan w Dzienniku Ustaw Nr 166 z moc obowi zuj c od dnia 1 stycznia 2003 r.

Realizacja tej procedury odbywa si poprzez uzyskanie

deklaracji zgodno

WE wystawianej przez

producenta maszyny lub uzyskanie

certyfikatu zgodno

WE wystawianego przez jednostk

certyfikuj c (notyfikowan ).

Bezpo

rednie dzia

anie zmierzaj

oszacowania ryzyka wynika

z norm:

1) PN-EN 1050

Ocena ryzyka,

2) PN-EN 954-1

Kategorie bezpiecze stwa.

Mimo podanej procedury nale y pami ta o tym, e wprowadzonych zostało równie wiele norm

okre laj cych szczegółowo wymagania bezpiecze stwa dla poszczególnych grup maszyn i

urz dze .

Zgodno wyrobów z wymaganiami zasadniczymi

Dyrektywy nowego podej cia - oznakowanie CE

Dyrektywy nowego podej cia.

Oznakowanie CE jest zwi zane wył cznie z okre lonymi wyrobami, których projektowanie i wytwarzanie

obj te jest tzw. dyrektywami Nowego Podej cia. Obecnie tych dyrektyw jest 25 ( cisła liczba zale y od

sposobu klasyfikacji). Dyrektywy te dotycz szerokiej gamy wyrobów przemysłowych (np. wszystkich

maszyn).

Odpowiedzialno producenta.

Przełomem w Nowym Podej ciu do przepisów technicznych było nało enie odpowiedzialno ci za

ocen wyrobu na producenta. To on deklaruje ostatecznie zgodno wyrobów z przepisami i

nadaje oznakowanie CE na swoj odpowiedzialno . Nie jest przy tym istotne, czy w trakcie oceny

powinien on skorzysta z usług niezale nej jednostki oceniaj cej, tzw.

jednostki notyfikowanej

jednostki notyfikowanej.

Finalny etap oznakowania CE nale y zawsze do producenta wyrobu i aden urz d ani upowa niona

instytucja nie mog go w tym wyr cza . Zdecydowana wi kszo wyrobów nie wymaga udziału

jednostki notyfikowanej (np. w przypadku maszyn jest to ok. 95%). Zatem tym, który przyznał znak

CE, nawet marnemu produktowi, jest zawsze producent.
Bardzo wa n rol w systemie nowego bezpiecze stwa pełni normy, których stosowanie oznacza

spełnienie wymaga dyrektyw. Jednak stosowanie norm nie jest i nie powinno by obowi zkowe.

Oznacza to, e spełnienie wymaga dyrektyw mo na uzyska tak e w inny sposób, zapewniaj cy co

najmniej taki sam poziom bezpiecze stwa. Zapewnienie nale ytego bezpiecze stwa i ochrony

zdrowia wszystkich osób maj cych do czynienia z produktem jest zasadniczym celem dyrektyw

Nowego Podej cia. Jednak w niektórych przypadkach na równi z bezpiecze stwem stawiane s

zagadnienia efektywno ci energetycznej lub ochrona rodowiska. Wymagany przez dyrektywy poziom

wymaga jest wysoki i cz sto trudno jest go zapewni . Drugim głównym celem dyrektyw Nowego

Podej cia jest zapewnienie swobody wymiany wyrobów na całym rynku Wspólnoty Europejskiej

(a tak e kilku innych krajów). adne z pa stw nie mo e podwy sza wymaga stawianych wyrobom

obj tym tymi dyrektywami.

Oznakowanie CE wcale nie zapewnia odpowiednio wysokiej jako ci wyrobu, a wiadczy jedynie o

spełnieniu zasadniczych wymaga . Natomiast potwierdzeniem wysokiej jako ci wyrobów mo e by ich

certyfikacja przez niezale n jednostk certyfikuj c .

Oznakowanie CE umieszczone na wyrobie wiadczy o tym (przez domn

iemanie), e wyrób (maszyna,

urz dzenie, materiał, rodek)

spełnia wymagania zasadnicze

okre lone w dyrektywach Nowego

Podej cia. Dokumentem potwierdzaj cym spełnienie tych wymaga je

Deklaracja zgodno ci

wystawiana przez producenta lub upowa nionego przedstawiciela. W

przypadku niektórych wyrobów

wymagane jest potwierdzenie zgodno ci przez

jednostk notyfikowan

Znak CE stanowi deklaracj producenta, e wyrób wprowadzony do o

brotu spełnia zasadnicze

wymagania

wymagania okre lone najcz ciej w rozporz dzeniach wydawanych na

podstawie ustawy z dnia

30.08.2002r. o systemie zgodno ci

30.08.2002r. o systemie zgodno ci (Dz.U. z 2004r. Nr 204 poz. 2087 oraz z 2005r. Nr 64 poz. 565) –

wprowadzaj cych do polskiego prawa tzw. dyrektywy Nowego Podej cia. Dyrektywy te dotycz ponad

dwudziestu grup produktów – m.in. urz dze elektrycznych (w tym sprz tu elektronicznego i AGD),

zabawek, rodków ochrony indywidualnej, materiałów budowlanych, maszyn i wind.

Tylko te wyroby, dla których istniej zasadnicze wymagania okre

lone w przepisach, powinny mie znak

CE.

Znak ten oznacza zgodno wyrobu z zasadniczymi wymaganiami, któ

re oprócz bezpiecze stwa

dotycz tak e emisji i odporno ci na zakłócenia elektromagnetycz

ne, hałasu, czy te zu ycia energii.

Dlatego te u ytkownik wyrobu z oznaczeniem CE ma pewno , e mo e go bezpiecznie u ywa (tzw.

domniemanie zgodno ci z zasadniczymi wymaganiami).

Dyrektywy nowego podej cia - oznakowanie CE cd.

Punkt wyj cia oceny ryzyka

–

stopie gro by uszkodzenia ciała:

S1 – uszkodzenie ciała z mo liwo ci

leczenia,

S2 – uszkodzenie ciała bez mo liwo ci

leczenia (dla jednej lub wielu osób) lub

mierci.

Kategoria zalecana

Kategoria wy sza od zalecanej

Kategoria mo liwa

–

cz stotliwo i stopie ekspozycji

ryzyka:

F1 – rzadko do cz sto,

F2 – cz sto do stale.

Kategoria

B 1 2 3 4

–

mo liwo unikni cia ryzyka:

P1 – mo liwe w specjalnych warunkach,

P2 – raczej niemo liwe.

Ocena ryzyka wyst pienia bł du – wybór kategorii

bezpiecze stwa (wg EN 954-1)

Jakikolwiek bł d (uszkodzenie) jest zawsze

wykryty w czasie umo liwiaj cym

przeciwdziałanie skutkom utraty funkcji

bezpiecze stwa.

Spełnione wymagania kategorii 3 oraz:
system bezpiecze stwa musi by tak

skonstruowany, aby akumulacja bł dów w

jakimkolwiek przypadku nie powodowała utraty

funkcji bezpiecze stwa.

Bezpiecze stwo

systemów

Pojawienie si pojedynczego bł du

(uszkodzenia) jest natychmiast wykrywane

przez system kontroli. Nie wszystkie bł dy

zostan jednak wykryte. Akumulacja bł dów

(uszkodze ) mo e doprowadzi w pewnych

warunkach do utraty funkcji

bezpiecze stwa.

Spełnione wymagania kategorii 2 oraz:
system bezpiecze stwa musi by tak

skonstruowany aby jakikolwiek pojedynczy bł d

(uszkodzenie) układu nie mogło spowodowa

utraty funkcji bezpiecze stwa.

Utrata funkcji bezpiecze stwa jest

wykrywana w trakcie kontroli. Pojawienie

si pojedynczego bł du (uszkodzenia) jest

natychmiast wykrywane przez system

kontroli. Nie wszystkie bł dy zostan jednak

wykryte. Akumulacja bł dów (uszkodze )

mo e doprowadzi w pewnych warunkach

do utraty funkcji bezpiecze stwa.

Spełnione wymagania kategorii 1 oraz:
wymagane jest wprowadzenie kontroli systemu

bezpiecze stwa w odpowiednich przedziałach

czasowych zwi zanych z funkcjonowaniem

maszyny (co najmniej przy ka dorazowym

uruchomieniu maszyny oraz w odpowiednich

przedziałach czasowych je eli jest to konieczne).

Pojawienie si bł du (uszkodzenia) mo e

spowodowa utrat funkcji bezpiecze stwa

aczkolwiek prawdopodobie stwo

zaistnienia takiej sytuacji jest mniejsze ni

w przypadku kategorii B.

Spełnione wymagania kategorii B oraz:
wymagane jest u ycie sprawdzonych i

przetestowanych komponentów oraz funkcji

bezpiecze stwa.

Bezpiecze stwo

komponentów

Pojawienie si bł du (uszkodzenia) mo e

spowodowa utrat funkcji bezpiecze stwa.

Elementy systemu steruj cego odpowiedzialne za

funkcje bezpiecze stwa wraz z ich osłonami jak

równie komponenty z których zostały wykonane

musz by zaprojektowane, dobrane, wykonane

oraz poł czone zgodnie z wła ciwymi standardami

tak aby mogły powstrzyma zagro enie.

Wybór

bezpiecze stwa

Zachowanie si systemu

Zbiór wymaga

Kate-

goria

Wymagania dotycz ce kategorii bezpiecze stwa

(PN/EN 954-1)

Kategoria sterowania

Klasy

ryzyka

o kategoria zalecana, - kategoria dopuszczalna, + przesadne rodki bezpiecze stwa

Dobór kategorii urz dze ochronnych

w zale no ci od klasy ryzyka

udow

w zapewniaj

cych okre

lone kategorie

bezpiecze

stwa w maszynach jest oparta

nast

puj

ych

zasad

ach

1. Stosowanie urz dze z certyfikatem bezpiecze stwa.
2. Redundancje poł cze układu.
3. Ró norodno

poł cze układu (np. poł czenie

symetryczne lub asymetryczne elementów).

4. Monitorowanie stanu poł cze układu.

Rozwi zania stosowane w budowie układów

bezpiecze stwa

Skuteczno ró nych rodków bezpiecze stwa

• r kawice

• respiratory

• buty ochronne

• wkładki do uszu

• okulary, maski ochronne na twarz

Osobiste wyposa enie

ochronne

• testy wył czania/ uruchamiania

• szkolenia

• kontrola zabezpiecze

• procedury bezpiecznej pracy

Szkolenia i procedury

(działania

administracyjne)

• brz czyki i syreny

• oznaczenia i etykiety

• ostrze enia komputerowe

• wiatła ostrzegawcze

rodki sygnalizacyjne

• obur czne uruchamianie maszyn (urz dze )

• czujniki bezpiecze stwa

• blokady bezpiecze stwa

• bariery bezpiecze stwa

rodki in ynieryjne

(technologia

zabezpiecze i

urz dzenia ochronne)

• zautomatyzowane przenoszenie obiektów (roboty,

ta moci gi itp.)

• minimalizacja obecno ci operatora w rejonie zagro enia

Eliminacja lub zamiana

zagro enia

Przykłady

rodki bezpiecze stwa

Najbardziej

skuteczne

Najmniej

skuteczne

Termin

„maszyna”

Wg Dyrektywy maszynowej UE „... maszyna jest zestawem poł czonych ze sob cz ci (zespołów) lub urz dze , z

których przynajmniej jedno jest ruchome, ...“. Nast pnie dla wyposa enia elektrycznego wa na jest norma PN-EN 60204-1,

która w dodatku A zawiera wykaz maszyn, dla których ta norma obowi zuje. Je eli wyst puje w tpliwo , czy chodzi o maszyn

czy te instalacj , to dla wyja nienia mo na si posłu y t norm . Szczególn uwag nale y zwróci na:

wył cznik główny,
transformatory steruj ce,
ocen ryzyka,
zdefiniowanie kolorów przewodów,
zabezpieczenie przed samoczynnym zał czeniem,
specyficzne wymagania dotycz ce „zachowania w przypadku wyst pienia zagro enia“.

Bezpiecze stwo maszyny uzyskuje si z cało ci wszystkich rodków znajduj cych si zarówno w maszynie jak i poza ni .

Ka da maszyna jest zatem rozpatrywana jako jednostka funkcyjna.
„Bezpiecze stwo”.
Poj cie „Bezpiecze stwo układu sterowania“ odnosi si do skutków dla ludzi i rzeczy w przypadku wyst pienia bł du. Nale y

zaznaczy , e je eli bada si „Dyspozycyjno systemu technicznego“, to skutki awarii nie s wówczas rozpatrywane.
W dyrektywie maszynowej i zwi zanych z ni normach EN ISO 121000 i PN-EN 1050 zostały opisane ró norodne rodzaje

zagro e . Producenci maszyn musz tym zagro eniom przeciwdziała za pomoc odpowiednich rodków zaradczych. I tak np.

w normie PN-EN 954-1 rozpatrzono bł dne działania układów sterowania. Stanowi ona tak e powi zanie pomi dzy elementami

składowymi i ich wzajemnym oddziaływaniem, a realizowan przez nie funkcj .
Nast pnie rozró nia si „bezpiecze stwo elektryczne“ (ochrona przed pr dem elektrycznym) i „bezpiecze stwo

funkcjonalne“ (ochrona przed niewła ciw funkcj w maszynie). W obszarze bezpiecze stwa maszyn norma PN-EN 954-1

obejmuje szczególnie istotne ze wzgl dów bezpiecze stwa elementy układów sterowania i koncentruje si na zwi zanym z nimi

bezpiecze stwie funkcjonalnym. Aby je uzyska , to istotne dla bezpiecze stwa elementy ochronne i sterownicze powinny

poprawnie działa i w przypadku wyst pienia bł du pozostawi maszyn w bezpiecznym stanie lub j do niego sprowadzi .

Norma ta jest ostatnio krytykowana za deterministyczne podej cie do bezpiecze stwa maszyn (nie uwzgl dniono w niej

aspektów probabilistycznych, takich jak niezawodno i prawdopodobie stwo awarii składników).

Maszyny - bezpiecze stwo

Wył cznik

bezpiecze stwa

START

STOP

Drzwi (osłona przesuwna)

Moduł bezpiecze stwa

z funkcj testowania

START

STOP

Drzwi (osłona

przesuwna)

Wył cznik

bezpiecze stwa

Moduł bezpiecze stwa

z funkcj testowania

START

STOP

Drzwi (osłona

przesuwna)

Wył cznik

bezpiecze stwa

Przykłady rozwi za systemów bezpiecze stwa

Kategorii 1

Kategorii 2

Kategorii 3

Uzyskiwane bezpiecze stwo funkcjonalnego jest okre lone w normach w nast puj cy sposób:

Safety Integrity Level wg PN-EN 61508,
kategorie bezpiecze stwa wg PN-EN 954-1,
klasy wymaga (np. wg DIN V 19250 i DIN V VDE 0801).

Istnieje norma specjalistyczna

Brak specjalistycznej normy

Dla odpowiedniego rodzaju maszyny

nale y zastosowa norm typu C.
Za pomoc tej wystarczaj co konkretnie

uj tej normy mo na sprawdzi , czy jest

osi gany okre lony poziom

bezpiecze stwa.
Zamieszczon w Dodatku 1 Dyrektywy

Maszynowej analiz zagro e

przeprowadza si równie przy

zastosowaniu norm C, przy czym

wówczas upraszcza si jedynie szukanie

rodków ochrony.

Nale y przeprowadzi analiz zagro e dla

maszyny, aby dla istotnych ze wzgl dów

bezpiecze stwa cz ci maszyny okre li

kategori w zale no ci od technologii.

Pomoc w tym działaniu mo e by norma

typu B wg PN-EN 954-1.

Nale y uwzgl dni dalsze normy typu B, np.:

PN-EN 418 (urz dzenia

NOT-OFF),

PN-EN 574 (obsługa dwur czna),
PN-EN 1037 (unikanie nieoczekiwanego

zał czenia),

PN-EN 60204-1 (wyposa enie elektryczne

maszyn).

Nowa konstrukcja

Drogi do osi gni cia bezpiecznego sterowania

Coraz wi kszy udział w budowie układów sterowania ma oprogramowanie. W normie

61508

61508 okre lono

„funkcjonalne bezpiecze stwo elektrycznych/ elektronicznych / elektronicznych programowalnych systemów

zabezpiecze ” oraz probabilistyczne podej cie do okre lania tzw. poziomów nienaruszalno ci bezpiecze stwa SIL

(ang.

Safety Integrity Level). Podej cie to w istotny sposób ró ni si od zastosowanego w normie PN-EN 954-1, które

jest deterministyczne. Norma PN-EN 61508 nie jest jednak standardem zharmonizowanym z Dyrektyw maszynow .

Jednak wykorzystanie tej normy pozwala na osi gni cie odpowiedniego bezpiecze stwa du ych i kompleksowych

instalacji przemysłowych, takich jak np. w zakładach chemicznych i elektrowniach.
Norma

61508

61508, dotycz ca bezpiecznego sterowania, składa si z nast puj cych sze ciu cz ci:

Specyfikacje dla aplikacji cz ci 2 i 3

PN-EN 61508-6

Przykłady i metody do okre lenia SIL

PN-EN 61508-5

Definicje i skróty

PN-EN 61508-4

Wymagania dotycz ce oprogramowania

PN-EN 61508-3

Wymagania dotycz ce programowalnych, elektronicznych układów

sterowania

PN-EN 61508-2

Wymagania ogólne

PN-EN 61508-1

Opis

normy

Poziom nienaruszalno ci bezpiecze stwa SIL (ang.

Safety Integrity Level) okre la prawdopodobie stwo wyst pienia

bł du powoduj cego zagro enie w ci gu roku eksploatacji obiektu, przy zało eniu cz stej lub ci głej jego pracy.

-4

do 10

-5

SIL 4

-3

do 10

-4

SIL 3

-2

do 10

-3

SIL 2

-1

do 10

-2

SIL 1

Prawdopodobie stwo wyst pienia

bł du (w ci gu roku)

Poziom

Zintegrowany poziom bezpiecze stwa SIL

Ocena ryzyka.

Ocena ryzyka. Dyrektywa Maszynowa wymaga przeprowadzenia dla ka dej maszyny oceny ryzyka. W zale no ci od

wyst puj cej sytuacji musi by przeprowadzona minimalizacja ryzyka. Do oceny ryzyka i doboru odpowiednich rodków

ochrony stosuje si nast puj ce normy europejskie (mi dzynarodowe):

EN ISO 12100:

EN ISO 12100: bezpiecze stwo maszyn, poj cia podstawowe, zasady ogólne,

EN 1050:

EN 1050: przewodnik do oceny ryzyka,

EN 1088:

EN 1088: urz dzenia blokuj ce w powi zaniu z separuj cymi urz dzeniami ochronnymi,

EN 954

1: cz ci układów sterowania zwi zane z bezpiecze stwem,

EN 1037:

EN 1037: unikanie nieoczekiwanego uruchomienia,

EN 547:

EN 547: zał czanie dwur czne,

ISO 13850/ PN

EN 418:

EN 418: urz dzenia do awaryjnego wył czania (

NOT-OFF), aspekty funkcjonalne.

Najwa niejsze zagadnienia zawarte w normie

EN ISO 12100

EN ISO 12100 (

bezpiecze stwo maszyn, poj cia podstawowe, zasady

ogólne):
1. Unikanie ryzyka przez odpowiedni konstrukcj , np.:

a. techniki samoczynnie zapewniaj ce bezpiecze stwo rodków produkcji,
b. rozpoznawanie bł dów przez automatyczne nadzorowanie (testowanie),
c. wykluczanie niebezpiecznych przebiegów maszyny, takich jak np. nieoczekiwane uruchomienie lub niekontrolowana

zmiana pr dko ci przez odpowiedni , bezpieczn budow układu sterowania,
2. Unikanie ryzyka przez techniczne urz dzenia ochronne wtedy, gdy rozwi zania konstrukcyjne w maszynie nie s

wystarczaj ce, np.:

a. umieszczanie separuj cych urz dze (drzwi) ochronnych,
b. przewidywanie obsługi dwur cznej.

3. Ostrzeganie przed pozostałymi zagro eniami: tablice z instrukcjami, wyra ne wskazówki w instrukcjach obsługi,
4. Przewidywanie dodatkowych rodków, np.:

a. umieszczenie wielu urz dze do wył czania awaryjnego (

NOT-OFF),

b. stosowanie rozwi za dla uwalniania ludzi od podejmowania niebezpiecznych działa .

Bezpiecze stwo maszyn – ocena ryzyka, normy

Norma

EN 1050

EN 1050:

Przewodnik do oceny ryzyka:

Krok 1

Krok 1. Analiza zagro e , np. z listy kontrolnej (ang.

Checkliste).

Krok 2

Krok 2. Oszacowanie ryzyka, jak np. ryzyko utraty

wiadomo ci, stopie wykształcenia i presja czasowa

na pracowników.

Krok 3

Krok 3. Minimalizacja ryzyka, jak np. zastosowanie

urz dze ochronnych, uniemo liwienie dost pu

osobom niepowołanym itp.

Krok 4

Krok 4. Ocena ryzyka, np. „Czy została wybrana

wła ciwa kategoria bezpiecze stwa wg PN-EN 954-1

dla poł cze w układzie sterowania?“

Ocena ryzyka zagro e

Krok 1:

Krok 1: Analiza zagro e wg przykładowej listy kontrolnej

Immisja

Awaria modułu (awaria

sterowania)

Awaria zasilania w energi

elektryczn

Awaria/ bł dne

działanie

Bł dne post powanie (np.

omijanie zabezpiecze )

Mentalne przeci enie

Psychologiczne przeci enie

Nie zachowanie

ergonomii

Biologiczne/ mikrobiologiczne

Eksplozja/ płomie

Przez kontakt lub oddychanie

Materiały

Promieniowanie jonizuj ce

Pola magnetyczne o wysokiej

cz stotliwo ci (mikrofale)

Promieniowanie

elektromagnetyczne

Laser

Promieniowanie podczerwone/

ultrafioletowe

Łuk elektryczny

Promieniowanie

Nie

Tak

Zjawisko

Zagro enie

Uszkodzenia stawów

Zakłócenia w przepływie krwi

Uszkodzenia nerwów i naczy

Drgania

Utrudnienie komunikacji

(sygnały ostrzegawcze)

Stres/ zm czenie

Uszkodzenie słuchu

Hałas

Zimno/gor co w otoczeniu

Spalanie/poparzenie

Termiczne

Przy zwarciu/przeci eniu

Procesy cieplne/ chemiczne

Elektrostatyczno

Po rednie dotkni cie

Bezpo rednie dotkni cie

Elektryczne

Po li ni cie/potkni cie/upadek

Wyrzucenie cz ci

Wysokoci nieniowa struga

Otarcie

Uderzenie/ ukłucie

Potr cenie/ wci gni cie

Ci cie

Zgniecenie/ przygniecenie

Mechaniczne

Nie

Tak

Zjawisko

Zagro enie

Norma

EN 1088

Urz dzenia do blokowania w

poł czeniu z separuj cymi urz dzeniami ochronnymi

poł czeniu z separuj cymi urz dzeniami ochronnymi:

1. Norma ta opisuje zasady wyboru i ukształtowania urz dze

blokuj cych oraz ich wł czanie do drzwi ochronnych wzgl.

obwodów sterowania.

2. Rozró nia si rozwi zania

z i

bez

bez zamkni cia osłon (drzwi).

3. Zamkni cie drzwi ochronnych jest konieczne, je eli czas

zatrzymania maszyny jest dłu szy ni czas dost pu.

Sposób działania:

rozkaz stopu

→

czas oczekiwania

→

maszyna stoi

→

otwarcie drzwi ochronnych

otwarcie drzwi ochronnych.

4. Bez zamkni cia drzwi ochronnych, je eli czas zatrzymania jest

krótszy od czasu dost pu.

Sposób działania:

otwarcie drzwi

→

wył czenie pr du.

Ochronne urz dzenia bezpiecze stwa

Norma

EN 954

: Maszyny – Bezpiecze stwo - Cz ci

układów sterowania zwi zane z bezpiecze stwem – Cz

1: Ogólne zasady projektowania.
Norma PN-EN 954-1 dotyczy tylko poziomu sterowania, a nie

głównych obwodów pr dowych. Minimalizacja ryzyka mo e si

odbywa przez odpowiednie wykonanie cz ci układu

sterowania istotnych ze wzgl du na bezpiecze stwo. Im

bardziej unikanie ryzyka zale y od zwi zanych z

bezpiecze stwem elementów układu sterowania, tym wy sza

musi by jego odporno na bł dy. Przez wybór kategorii

bezpiecze stwa daje si znale odpowiedni sposób poł cze

układu dla poziomu sterowania.

Graf ryzyka (na wcze niejszym rysunku był pokazany wybór kategorii

bezpiecze stwa w zale no ci od poziomu ryzyka).

Elementy układów sterowania zwi zane z bezpiecze stwem

PN/EN 1037

: Unikanie nieoczekiwanego zał czenia

: Unikanie nieoczekiwanego zał czenia.

Najwa niejsze aspekty:
1. Maszyna podczas ingerencji człowieka w obszar niebezpieczny musi by

zabezpieczona przed nieoczekiwanym zał czeniem (wypadki podczas

prac uruchamiania lub szukania bł dów).

2. Urz dzenia do wył czania energii musz wyra nie wskazywa poło enie

elementów separuj cych, np. przez poło enie elementów obsługi i by

zamykane.

3. Tak długo jak zmagazynowana energia mo e stanowi przyczyn

zagro enia, to dla doprowadzania energii i zatrzymywania energii

(hamulce dla ruchomych zespołów, zawory dla zbiorników

ci nieniowych,...) musz by przewidziane takie rozwi zania, które

towarzysz separacji energii.

4. Konieczne s dalsze rozwi zania w tych przypadkach, gdy separacja

energii i dostarczanie energii nie s odpowiednie dla wszystkich

ingerencji, np. unikanie przypadkowego wywołania rozkazu startu przez

chowan powierzchni uruchamiania.

Ochrona przed nieoczekiwanym zał czeniem

ISO 13850/ PN

EN 418

Urz dzenia do wył czania awaryjnego

Urz dzenia do wył czania awaryjnego (

NOT

OFF

OFF)

aspekty funkcjonalne

aspekty funkcjonalne.

Najwa niejsze aspekty:
1. Działanie w przypadku zagro enia (funkcja NOT-OFF) powinno eliminowa

lub minimalizowa nadchodz ce lub istniej ce niebezpiecze stwo dla

ludzi i uszkodzenia maszyny lub poprawnej pracy. Zagro eniami s m.in.

nieregularno ci działania, bł dne funkcje maszyny, nieodpowiednie

własno ci materiałów i bł dy ludzi.

2. Wył cznik awaryjny

NOT

OFF

OFF jest tylko elementem wspomagaj cym i nie

zast puje brakuj cych rodków ochrony.

3. Działanie

NOT

OFF

OFF jest wywoływane przez pojedyncze działanie człowieka.

4. Reakcja maszyny na rozkaz

NOT

OFF

OFF nie mo e powodowa adnych

dodatkowych zagro e .

5. Działa urz dze bezpiecze stwa nie mo na omija (eliminowa ). Dotyczy

to tak e uwalniania ludzi z obszaru zagro enia.

6. Konieczne jest ponowne ustawienie (zresetowanie) wzgl. odblokowanie

urz dzenia

NOT

OFF

Wył czanie awaryjne

Funkcje

STOP’u

Funkcje stopu (zatrzymania) musz by realizowane przez odł czenie obwodu i mie pierwsze stwo

przed przyporz dkowanymi im funkcjami startu. Wywołanie funkcji stopu nie mo e powodowa stanu

zwi zanego z zagro eniem. Dla funkcji stopu rozró nia si trzy nast puj ce kategorie:

Kategoria 0:

Kategoria 0: zatrzymanie przez

natychmiastowe odł czenie

zasilania.

Rozkaz stopu

ZAŁ

WYŁ

Kategoria 1:

Kategoria 1: sterowane zatrzymanie, w którym zachowane

jest zasilanie w energi , aby móc zrealizowa odpowiedni

przebieg zatrzymywania. Doprowadzanie energii jest

przerywane dopiero wtedy, gdy uzyska si stan zatrzymania.

Rozkaz stopu

ZAŁ

WYŁ

Zatrzymanie

Kategoria 2:

Kategoria 2: sterowane zatrzymanie, w którym jest utrzymywane zasilanie nap du maszyny w energi .

Rozkaz stopu

ZAŁ

WYŁ

Nap dzanie

Hamowanie

n=0

Ustawienie zerowej

warto ci zadanej

STOP

Kategorie zatrzymywania nap dów maszyn (STOP’u)

Czas

Nowe uregulowania prawne w zakresie bezpiecze stwa

Dyrektywa maszynowa UE wymaga, eby maszyny były bezpieczne i jako pierwszy cel ich konstrukcji da

bezpiecze stwa strukturalnego. Dla niemo liwych do wyeliminowania konstrukcyjnie zagro e musz by przewidziane

dodatkowe urz dzenia bezpiecze stwa. Norma EN ISO 12100 cz ci 1 i 2 opisuje podstawowe rozwi zania i zasady

techniczne, za pomoc których mo na ten cel osi gn . Je eli bezpiecze stwo zale y od funkcji sterowniczych, to układ

sterowania musi by tak zrealizowany, aby prawdopodobie stwo jego bł dnego działania było wystarczaj co małe. Przy

zastosowaniu programowalnych układów elektronicznych nale y bra pod uwag norm IEC 61508. Natomiast normy EN

ISO 13849 i EN IEC 62061 zawieraj rozwi zania specyficzne dla bezpiecze stwa sterowania maszyn.

Konstrukcja i ocena ryzyka maszyny

ISO 12100 Bezpiecze stwo maszyn – poj cia podstawowe i rozwi zania ogólne

EN 1050/ ISO 14121 Bezpiecze stwo maszyn – zasady okre lania ryzyka

Konstrukcja i ocena ryzyka maszyny

ISO 12100

ISO 12100 Bezpiecze stwo maszyn – poj cia podstawowe i rozwi zania ogólne

EN 1050/ ISO 14121

EN 1050/ ISO 14121 Bezpiecze stwo maszyn – zasady okre lania ryzyka

Wymagania funkcjonalne i poziomy bezpiecze stwa dla układów sterowania

istotnych ze wzgl du na bezpiecze stwo

Wymagania funkcjonalne i poziomy bezpiecze stwa dla układów sterowania

istotnych ze wzgl du na bezpiecze stwo

Projektowanie i realizacja zapewniaj cych bezpiecze stwo elektry

cznych układów sterowania

Dowolne architektury, wszystkie SIL 1-3 (od PL b)

Tylko okre lone architektury, ograniczony

maksymalny poziom zapewniania bezpiecze stwa PL

(ang.

Performance Level) dla elektroniki

IEC 62061

Bezpiecze stwo maszyn – bezpiecze stwo istotnych

elementów elektrycznych, elektronicznych i

programowalnych układów sterowania

ISO 13849

Bezpiecze stwo maszyn – cz ci układów sterowania

zwi zane z bezpiecze stwem

Elektryczne aspekty bezpiecze stwa

IEC 60204

1 Bezpiecze stwo maszyn.

Wyposa enie elektryczne maszyn.

: Wymagania ogólne.

Dla mo liwych zagro e w maszynie musi by przeprowadzona ocena ryzyka zgodnie z norm EN

1050 ( w przyszło ci EN ISO 14121), aby stwierdzi czy uzyskiwany jest wystarczaj cy poziom

bezpiecze stwa. Wymagania normy EN IEC 62061 i EN ISO 13849-1, dotycz ce implementacji funkcji

sterowania istotnych dla bezpiecze stwa, s stopniowane zgodnie z ryzykiem, które nale y

wyeliminowa . Miar tego stopniowania w normie EN IEC 62061 (tak jak i w IEC 61508) jest

SIL

SIL (ang.

Safety Integrity Level), a w EN ISO 13849-1

PL (ang.

Performance Level).

W zwi zku z rosn c tendencj zastosowania sterowników PLC oraz systemów programowalnych

nawet do najprostszych maszyn, powstała konieczno

nowelizacji normy EN 954-1, tak aby dawa

ona tak e mo liwo

oceny systemów programowalnych. W tym celu opracowano now norm EN

ISO 13849-1, która w przyszło ci zast pi norm EN 954-1. Ta nowa norma wprowadza poj cie

„poziomu zapewniania bezpiecze stwa” PL, który jest wska nikiem skuteczno ci redukcji ryzyka

przez system sterowania. Jest w niej przewidzianych 5 poziomów zapewnienia bezpiecze stwa od a

do e (p. tabela).

Poziomy bezpiecze stwa PL (ang.

Performance Level) wg EN ISO 13849-1

≥≥≥≥

-8

do < 10

-7

≥≥≥≥

-7

do < 10

-6

≥≥≥≥

-5

do < 3 10

-6

≥≥≥≥

3 10

-6

do < 10

-5

Brak specjalnych wymaga

≥≥≥≥

-5

do < 10

-4

Poziom nienaruszalno ci

bezpiecze stwa SIL

(wg EN 61508-1) – dla informacji

rednie prawdopodobie stwo

niebezpiecznego uszkodzenia

[1/h]

Poziomy

zapewniania

bezpiecze stwa PL

Nowe uregulowania prawne w zakresie bezpiecze stwa c.d.

Wymagany poziom zapewnienia bezpiecze stwa jest okre lany na podstawie grafu

oceny ryzyka. Natomiast ocena poziomu osi gni tego w konkretnym rozwi zaniu

technicznym jest dokonywana metod jako ciowo-ilo ciow . Norma

ISO 13849

wprowadza poj cie tzw.

desygnowanej architektury

desygnowanej architektury (ang.

designated architecture),

charakteryzuj ce rozwi zania konstrukcyjne typowe dla poszczególnych kategorii.

I tak, zgodnie z

EN 954

1 (p. tabela - wymagania dotycz ce bezpiecze stwa)

przypadku

kategorii B i kategorii 1 jest to architektura szeregowa, bez

rodk

wykrywania defekt

w. Natomiast w przypadku kategorii 2 system zawiera urz

dzenie

monitoruj

ce okresowo poprawno

jego pracy.

kategorii 3 jest to system z

redundancj

, a w kategorii 4 redundancja z monitorowaniem.

, a w kategorii 4 redundancja z monitorowaniem. Parametrami

charakteryzuj cymi system s : redni czas przed pierwszym powa nym

uszkodzeniem

MTTF

(ang.

Mean Time To Dangerous Failure), stopie mo liwej oceny

za pomoc urz dze diagnostycznych

DC (ang.

Diagnostic Coverage) oraz parametr

okre laj cy najcz stsze przyczyny awarii

CCF

CCF (ang.

Common Cause Failure).

Parametry te s kwalifikowane do grup jako ciowych: du y, redni i mały.

Przewidywany poziom zapewnienia bezpiecze stwa okre lany jest na podstawie

grafu, uwzgl dniaj cego oszacowane parametry oraz architektur systemu

(redundancja, monitorowanie itp.). Pozwala to, w prosty sposób, dokona oceny

zaprojektowanego systemu. Zakres stosowania tej normy b dzie ograniczony jedynie

do systemów niezbyt zło onych, gdy oceniany jest ogólny stan, bez brania pod

uwag wielu aspektów i szczegółów. Przewiduje si , e b dzie ona wykorzystywana

głównie do analizy systemów hydraulicznych, pneumatycznych oraz elektrycznych.

Nowe uregulowania prawne w zakresie bezpiecze stwa c.d.

Poniewa w zło onych układach sterowania maszyn bezsensowne jest wyszukiwanie wszystkich mo liwych bł dów, to

podane wcze niej normy umo liwiaj wykonanie takich cało ciowych rozwi za , które s ukierunkowane na rozwój i

projektowanie układów sterowania spełniaj cych wymagania bezpiecze stwa przez unikanie bł dów. Dla obu norm

wspólne jest tak e probabilistyczne podej cie przy okre laniu niebezpiecznych poziomów awarii. Jako ciowe

rozpatrywanie wg EN 954-1 dla nowoczesnych układów sterowania ze wzgl du na ich technologi nie jest jednak

wystarczaj ce. Norma EN 954-1 nie uwzgl dnia m.in. przebiegów czasowych (np. przerwy testowe, wzgl. testy

cykliczne). Prowadzi to do probabilistycznych rozwa a w normach EN 61508, EN IEC 62061 i EN ISO 13849-1

(prawdopodobie stwo awarii w jednostce czasu). Obszary zastosowania norm EN ISO 13849-1 i EN IEC 62061 s

podobne. Gremia normalizacyjne IEC i ISO, w celu ułatwienia podejmowania u ytkownikom decyzji w oparciu o te dwie

normy, opracowały zamieszczone ni ej tabelaryczne zestawienie. W zale no ci od technologii (układy mechaniczne,

hydrauliczne, pneumatyczne, elektryczne, elektroniczne), stopnia ryzyka i architektury ma zastosowanie EN ISO 13849-1

lub EN IEC 62061. Zastosowanie jednej z tych dwóch norm wystarcza w zasadzie do spełnienia wymaga bezpiecze stwa

wg dyrektywy maszynowej.

Uwaga 1: Przewidziane architektury s opisane w dodatku B normy EN ISO 13849-1 i podaj uproszczone rozwi zanie dla

kwantyfikacji.

Uwaga 2: Dla zło onej elektroniki: zastosowanie przewidzianych architektur zgodnie z norm EN ISO 13849-1 do PL=d lub

ka dej architektury zgodnie z norm EN IEC 62061.

Uwaga 3: Dla technologii nie elektrycznych: stosuje si elementy, które odpowiadaj normie EN ISO 13849-1 jako podukłady.

Nowe uregulowania prawne w zakresie bezpiecze stwa c.d.

X (p. Uwaga 3)

X (p. Uwaga 2)

F C w poł czeniu z A lub C w poł czeniu z A i B

Wszystkie architektury

i maksymalnie do SIL 3

Ograniczone do przewidzianych architektur

(p. Uwaga 1) i maksymalnie do PL = d

E C w poł czeniu z B

X (p. Uwaga 3)

Ograniczone do przewidzianych architektur

(p. Uwaga 1) i maksymalnie do PL = e

D A w poł czeniu z B

Wszystkie architektury

i maksymalnie do SIL 3

Ograniczone do przewidzianych architektur

(p. Uwaga 1) i maksymalnie do PL = d

C Zło ona elektronika (np. elektronika

programowalna)

Wszystkie architektury

i maksymalnie do SIL 3

Ograniczone do przewidzianych architektur

(p. Uwaga 1) i maksymalnie do PL = e

B Elektromechaniczne, np. przeka niki i/lub

prosta elektronika

Nie pokrywa

A Nie elektryczne, np. hydraulika, pneumatyka

EN IEC 62061

EN ISO 13849-1

Technologia realizacji istotnych ze wzgl dów

bezpiecze stwa funkcji sterowania

Norma

EN IEC 62061

EN IEC 62061 stanowi norm specyficzn dla dziedziny zastosowa w obr bie normy IEC 61508. Opisuje ona

realizacj istotnych ze wzgl dów bezpiecze stwa elektrycznych układów sterowania maszyn i rozpatruje całkowity cykl

ycia wyrobu (maszyny) od fazy koncepcyjnej a do jej wycofania z u ytkowania. Podstaw jej s ilo ciowe i jako ciowe

analizy funkcji bezpiecze stwa.
Norma ta konsekwentnie stosuje metod

Top-Down w realizacji zło onych układów sterowania, zwan dekompozycj

funkcjonaln . Zaczynaj c od wynikaj cych z analizy ryzyka funkcji bezpiecze stwa, najpierw przeprowadzany jest

podział na cz stkowe funkcje bezpiecze stwa, a nast pnie odbywa si przyporz dkowanie tych cz stkowych funkcji

bezpiecze stwa do rzeczywistych urz dze , podsystemów i elementów podsystemów. Rozpatrywany jest zarówno

sprz t jak i oprogramowanie. Norma EN IEC 62061 opisuje równie wymagania dotycz ce realizacji programów

aplikacyjnych.

Podsystem 1

DC, T2,

ββββ

Element

podsystemu 1.1

λλλλ

, T

Element

podsystemu 1.2

λλλλ

, T

Podsystem 1

(sensor A)

Podsystem 2

(sensor B)

SIL

, PFH

, T

SIL

, PFH

, T

Podsystem 3

(PLC wg IEC 61508)

SIL

, PFH

, T

Podsystem 4

(element wykonawczy)

SIL

, PFH

, T

SIL

Norma EN IEC 62061: Istotne ze wzgl dów bezpiecze stwa,

elektryczne układy sterowania maszyn

Spełniaj cy wymagania bezpiecze stwa układ sterowania składa si z ró nych podsystemów. Podsytemy te

charakteryzuj si wielko ciami opisuj cymi poziom bezpiecze stwa (SIL i PFH):

SIL

- poziom SIL (ang. SIL

claim limit),

PFH

- prawdopodobie stwo wyst pienia niebezpiecznej awarii w czasie godziny (ang.

probability of dangerous

failure per hour),

- czas ycia (ang.

lifetime).

Podsystemy te mog si znowu składa z ró nych poł czonych ze sob elementów podsystemów (urz dze ) z

wielko ciami charakterystycznymi do okre lenia odpowiednich warto ci PFH podsystemu. Wska nikami

okre laj cymi aspekty bezpiecze stwa elementów podsystemu (urz dze ) s :

λλλλ

- poziom awarii (ang.

failure rate); dla elementów podlegaj cych zu yciu warto

B10,

- czas ycia (ang.

lifetime).

W urz dzeniach elektromechanicznych poziom awarii

λλλλ

jest podawany przez producenta w odniesieniu do liczby

zał cze . Odniesiony do czasu poziom bł dów i czas ycia musz by okre lone przy uwzgl dnieniu cz sto ci

zał cze dla ka dorazowej aplikacji. Okre lanymi podczas projektowania (konstruowania) parametrami dla

podsystemu, który składa si z elementów podsystemu, s :

- okres testu diagnostycznego (ang.

diagnostic test interval),

ββββ

- podatno

na bł dy z tej samej przyczyny (ang.

susceptibility to common cause failure),

DC - stopie pokrycia diagnostycznego (ang.

diagnosic coverage).

Warto PFH dla układów sterowania spełniaj cych wymagania bezpiecze stwa okre la si z sumowania

poszczególnych warto ci PFH podsystemów.
Przy budowie spełniaj cych wymagania bezpiecze stwa układów sterowania u ytkownik ma nast puj ce

mo liwo ci:
• zastosowanie urz dze i podsystemów, które ju spełniaj EN 954-1 wzgl. EN 61508 albo EN IEC 62061. W normie

jest okre lone w jaki sposób kwalifikowane urz dzenia mo na integrowa dla realizacji funkcji bezpiecze stwa.
• opracowanie własnych podsystemów:

- programowalne, elektroniczne układy wzgl. zło one systemy: zastosowanie EN 61508,

- proste urz dzenia i podsystemy: zastosowanie EN IEC 62061.
Dla układów nie elektrycznych stosowane s normy: EN 954-1/ EN ISO 13849-1

Norma EN IEC 62061: Istotne ze wzgl dów bezpiecze stwa,

elektryczne układy sterowania maszyn c.d.

Norma EN ISO 13849-1 powinna w przyszło ci zast pi i uzupełni norm EN 954-1. Norma EN ISO

13849-1 jest oparta na kategoriach bezpiecze stwa znanych z normy EN 954-1: 1996. Rozpatruje ona

kompletne funkcje bezpiecze stwa z wszystkimi urz dzeniami bior cymi udział w ich realizacji.
W normie EN ISO 13849-1, przez jako ciowe rozbudowanie normy EN 954-1, wyst puje równie

ilo ciowe rozpatrywanie funkcji bezpiecze stwa. Opieraj c si na kategoriach, s tutaj stosowane

poziomy zapewnienia bezpiecze stwa PL (ang.

Performance Level). Dla cz ci (urz dze ) s

niezb dne nast puj ce dane dotycz ce aspektów bezpiecze stwa:

kategoria (wymaganie strukturalne),
PL (ang.

Performance Level),

MTTF

– redni okres wyst pienia niebezpiecznej awarii (ang.

Mean Time to Dangerous Failure),

DC - stopie pokrycia diagnostycznego (ang.

Diagnosic Coverage),

CCF – bł d spowodowany wspóln przyczyn (ang.

Common Cause Failure).

Norma EN ISO 13849-1 opisuje sposób obliczania poziomu zapewnienia bezpiecze stwa PL (ang.

Performance Level) dla istotnych ze wzgl dów bezpiecze stwa cz ci układów sterowania na bazie

przewidzianych architektur (ang.

designated architectures). Przy odst pstwach od tych wymaga

norma EN ISO 13849-1 wskazuje na EN 61508.
Przy kombinacji wielu istotnych ze wzgl dów bezpiecze stwa cz ci w jednym układzie norma ta

podaje dane do okre lenia wynikowego poziomu PL.
Dla dalszych działa dla walidacji norma EN ISO 13849-1 wskazuje na cz

2, opublikowan w

2003r. Zawiera ona dane dotycz ce okre lania bł dów, piel gnacji, dokumentacji technicznej i opis

sposobów wykorzystania.

Norma EN ISO 13849-1 – aspekty bezpiecze stwa

Zgodnie z wymaganiami normy EN 61508 producenci urz dze zabezpieczaj cych s

zobowi zani dostarcza projektantom maszyn (instalacji) danych dotycz cych warto ci

parametrów: MTTF

, DC i CCF. Na podstawie analizy ryzyka pozwala to projektantom

urz dze na okre lenie wymaganego poziomu bezpiecze stwa PLR (ang.

Performance Level

Required), a nast pnie dobór odpowiednich składników spełniaj cych te wymagania. Dane

dostarczone przez producentów, tzn. warto ci w/w parametrów do wyznaczenia PL (ang.

Performance Level) lub po prostu informacja, e urz dzenie charakteryzuje si np.

poziomem bezpiecze stwa e lub SIL3 umo liwiaj nast pnie okre lenie ostatecznego

poziomu PL dla wybranego rozwi zania systemu bezpiecze stwa. Porównuj c otrzymany

poziom PL z PLR mo na okre li , czy dane rozwi zanie jest zgodne ze standardami. Taka

metoda post powania sugeruje w praktyce, eby podczas zabezpieczania stref roboczych, w

których w przypadku zagro enia mo e doj do powa nych obra e personelu, projektant

stosował składniki o du ej niezawodno ci. Norma EN ISO13849 zaleca ponadto stosowanie

tzw. architektur desygnowanych, które umo liwiaj ocen uproszczon .
Obydwa standardy, tzn. EN 61508 i EN ISO 13849, uzupełniaj si nawzajem, je eli chodzi o

ich wykorzystanie. I tak producent zabezpiecze musi stosowa wymagania standardu EN

61508, natomiast konstruktor maszyn – EN ISO 13849. Rozgraniczenie to nie powinno jednak

powodowa wi kszych problemów praktycznych, poniewa poziomy PL okre lone w normie

EN ISO 13849 s bezpo rednio powi zane z poziomami SIL okre lonymi w normie EN 61508

(por. tab. ze slajdu 124). Elementem ł cz cym obie te warto ci jest współczynnik okre laj cy

rednie prawdopodobie stwo niebezpiecznej awarii na godzin .

Standard EN ISO13849, po okresie przej ciowym, stanie si obowi zuj cym prawem od

pocz tku 2009r.

Zastosowanie standardów bezpiecze stwa

W przypadku systemów elektronicznych norma EN ISO13849-1 mo e by

stosowana, gdy jest spe

niony co najmniej jeden z poni szych warunków:

• wymagany jest poziom zapewniania bezpiecze stwa a lub b,
• funkcja bezpiecze stwa jest realizowana w pełni sprz towo oraz

zachowanie systemu w warunkach defektu jest zawsze jednoznacznie

okre lone,

• udział systemu programowalnego w realizacji funkcji bezpiecze stwa jest

stosunkowo niewielki (np. monitorowanie) oraz wymagany jest poziom

zapewnienia bezpiecze stwa w skali od a do d,

• funkcja bezpiecze stwa jest realizowana przez dwa ró ne systemy

programowalne i jest wymagany poziom zapewnienia bezpiecze stwa od

a do d; przez ró ne systemy programowalne rozumie si układy o ró nych

systemach operacyjnych i ró nym oprogramowaniu,

• zastosowane elementy systemu sterowania zwi zane z bezpiecze stwem

(uwzgl dniaj c oprogramowanie) zostały zaprojektowane zgodnie z

zaleceniami odpowiednich norm.

Nowe uregulowania prawne w zakresie bezpiecze stwa c.d.

Równolegle z norm EN ISO 13849-1 została tak e opracowywana norma

IEC

62061

62061, w

której głównymi zagadnieniami s

sprawy zawi zane z bezpiecze stwem systemów

sterowania. Ustalone s

w niej podstawowe wymagania dotycz ce projektowania i

wykonywania systemów sterowania realizuj cych funkcje bezpiecze stwa. Systemy te, w

odniesieniu do maszyn, klasyfikuje norma EN 61508 na poziomach SIL1

3 (nie uwzgl dniaj c

wypadków zbiorowych, w których mier mo e ponie

wiele osób, gdy takie sytuacje s

bardzo mało prawdopodobne).
Wymagania dotycz ce systemów bior pod uwag wszystkie grupy aspektów, z którymi s one

zwi zane, tj.:

Formu

owanie za

o e dotycz cych funkcji bezpiecze stwa.

Zarz dzanie bezpiecze stwem funkcjonalnym.
Projektowanie i wykonanie sytemu.
Informowanie u ytkownika.
Modyfikacj sytemu.

Podstawowym zało eniem jest to, ju na pocz tkowym etapie nast puje dekompozycja sytemu

na mniejsze podsystemy (zarówno funkcji systemu jak i zespo

ów realizuj cych te funkcje).

Dekompozycja ta sprowadzana jest do poziomu gotowych podzespołów, dost pnych na rynku.

Podzespoły te powinny spełnia

wymagania dotycz ce nienaruszalno ci bezpiecze stwa

zgodnie z EN 61508. Na podstawie poziomu zastosowanych rozwi za konstrukcyjnych oraz

poziomu niezawodno ci stosowanych komponentów okre la si SIL całego systemu. Celem

normy EN IEC 62061 nie jest zatem ocena urz dze bezpiecze stwa, lecz analiza dotycz ca

zestawiania istniej cych ju rozwi za w gotow cało . Mo e by ona zatem stosowana

zarówno przez projektantów maszyn jak i u ytkowników wyposa aj cych maszyn

dodatkowe urz dzenia ochronne.

Nowe uregulowania prawne w zakresie bezpiecze stwa c.d.

Wyposa enie elektroniczne.
Do wyposa enia elektronicznego nale wszystkie rodzaje urz dze elektrycznych, ł cznie z programowalnymi.
Zastosowanie dla funkcji zwi zanych z bezpiecze stwem:

programowalne układy sterowania musz spełnia odpowiedni norm IEC (cz ci 1 i 2 normy dla PLC PN-EN

61131),

programowalne wyposa enie elektroniczne nie powinno by stosowane dla kategorii 0 „

zatrzymania w

przypadku awaryjnym”. Dla wszystkich innych zwi zanych z bezpiecze stwem funkcji stopu przewidziane jest

zastosowanie poł czonych na stałe elektromechanicznych elementów (tzn. funkcja nie powinna zale e od pracy

programowalnego, elektronicznego wyposa enia). Tam gdzie dla takiej funkcji u yte jest programowalne

wyposa enie elektroniczne, musz by zastosowane odpowiednie rozwi zania dla zmniejszenia ryzyka.
Uwagi do normy: obecnie trudno jest stwierdzi , czy zastosowanie jednokanałowego programowalnego

elektronicznego wyposa enia b dzie traktowane jako niezawodne. Do czasu wyja nienia tej sytuacji wskazane

byłoby, dla zapewnienia bezbł dnej pracy, unikanie stosowania rozwi za z jednokanałowym urz dzeniem.
Sprawdzanie oprogramowania.
Wymagane s rodki do sprawdzenia zgodno ci oprogramowania z odpowiedni dokumentacj oprogramowania.
Urz dzenia steruj ce.
Wymagania dotycz tych urz dze steruj cych, które znajduj si poza obudowami sterowników.
Czujniki drogi.
Jako czujniki drogi okre la si ł czniki pozycji (drogowe), czujniki zbli eniowe itp. S one stosowane w obwodach

sterowania istotnych ze wzgl dów bezpiecze stwa i dlatego te musz by albo przymusowo otwarte, albo te

zapewnia porównywaln niezawodno .

Bezpiecze stwo – urz dzenia programowalne

Dla przycisków:

Dla meldunków wietlnych:

Kodowanie kolorami i ich znaczenie

Nadzorowanie

Dla wprowadzania funkcji, poza zatrzymaniem, w

sytuacji awaryjnej

Neutralnie

Biały

Pilna obsługa

Uruchomienie dla stanu, który wymaga pilnej obsługi

Pilnie

Niebieski

Opcjonalnie

Uruchomi , aby wprowadzi zwykły stan

Normalnie

Zielony

Nadzorowanie i/lub ingerencja (np. ponowne

wytworzenie przewidzianej funkcji)

Stan nienormalny, nadchodz cy stan krytyczny

Nienormalnie

ółty

Natychmiastowa obsługa w celu reakcji na stan

powoduj cy zagro enie (np. spowodowanie

zatrzymania w sytuacji awaryjnej)

Stan powoduj cy zagro enie

Sytuacja

awaryjna

Czerwony

Przykład

Obja nienie

Znaczenie

Kolor

Szary

Start/ zał czenie

Dla wprowadzania funkcji, poza

zatrzymaniem, w sytuacji awaryjnej

Nie

przyporz dkowano

adnego specjalnego

znaczenia

Biały

Stop/ wył czenie

Czarny

Funkcja odblokowania

Uruchomi dla stanu, który wymaga pilnej

obsługi

Pilnie

Niebieski

Uruchomi , aby wprowadzi zwykły stan

Normalnie

Zielony

Ingerencja, aby ponownie uruchomi

przerwany przebieg automatyczny

Uruchomi dla stanu nienormalnego

Nienormalnie

ółty

Zatrzymanie w sytuacji awaryjnej

Uruchomi w przypadku stanu powoduj cego

zagro enie lub sytuacji awaryjnej

Sytuacja awaryjna

Czerwony

Przykład

Obja nienie

Znaczenie

Kolor

Bezdotykowo działaj ce urz dzenia ochronne.

Bezdotykowo działaj ce urz dzenia ochronne.
Bezdotykowo działaj ce urz dzenia ochronne, takie jak np. kurtyny wietlne, nie mog by stosowane jako alternatywa

separuj cych urz dze ochronnych takich jak np. drzwi ochronne, je eli przy monta u maj by zachowane

odpowiednie wymagania normy PN-EN 61496-1 i -2.

Mo liwe s przy tym ró ne tryby pracy. Po pierwsze

tryb

Muting

Muting, który pozwala na umieszczanie materiałów w

maszynie, bez konieczno ci jej zatrzymywania. Warunkiem tego trybu jest dodatkowe umieszczenie

muting-sensorów,

za pomoc których jest rozpoznawana niedopuszczalna ingerencja osób, prowadz ca do wył czenia maszyny. Innym

trybem pracy jest tzw.

Blanking Funktion

Blanking Funktion, tzn. maskowanie strumieni wietlnych. W tym przypadku stałe obszary

chronionego pola s przerywane, co powoduje wył czenie kurtyny wietlnej (np. transporter dostarczaj cy materiały).

Programowalne sterowniki bezpiecze stwa.

Programowalne sterowniki bezpiecze stwa.
Programowalne sterowniki bezpiecze stwa s zbudowane jako zró nicowane wielokanałowo i pracuj ze

sprawdzonymi ze wzgl du na bezpiecze stwo modułami programowymi w swojej cz ci bezpiecze stwa.
Tylko cz

zapewniaj ca bezbł dn prac mo e realizowa zadania zwi zane z bezpiecze stwem. Zawarta w

sterowniku cz

standardowa realizuje przetwarzanie programu aplikacyjnego.

Nie jest mo liwy dost p z dołu, z góry lub z boku.

Zasady umieszczania kurtyny wietlnej (wyci g)

Kurtyny wietlne i programowalne sterowniki bezpiecze stwa

Sygnały migaj ce.

Sygnały migaj ce.
Cel ich stosowania to:

powodowanie działania zwracaj cego uwag ,
skłanianie do natychmiastowego działania,
wskazywanie ró nicy mi dzy stanem zadanym a rzeczywistym,
wskazywanie zmiany procesu (miganie podczas przechodzenia).

Technologie bezpiecze stwa.

Technologie bezpiecze stwa.
Po wykonaniu obowi zkowo przewidzianej analizy zagro e (o ile nie istnieje jeszcze norma typu

C) stwierdzone wymagania musz by przekształcone na stron techniczn urz dze .

Urz dzenia spełniaj ce wymagania bezpiecze stwa dla zapewnienia ochrony ludzi i maszyn w

technice sterowania (bez systemów nap dowych i układów sterowania CNC) daje si podzieli

na cztery nast puj ce obszary:
konwencjonalne przeka niki i styczniki,
urz dzenia bezpiecze stwa dla bezdotykowo działaj cych urz dze ochronnych, np. przebiegi

wietlne,

programowalne sterowniki bezpiecze stwa,
sieciowe systemy bezpiecze stwa.

Sygnały migaj ce i urz dzenia bezpiecze stwa

Zastosowanie komunikacji przemysłowej

Wymiana

informacji:

zbieranie/ przetwarzanie danych pomiarowych,
sterowanie/ regulacja procesów,
zbieranie danych produkcyjnych/ maszynowych (PDA/MDA),
sterowanie/ nadzorowanie wytwarzania.

rodki:

telefon, fax, e-mail, CD, ...

sie komputerowa LAN,

Fieldbus, ...

wymiana informacji jest w coraz wi kszym stopniu zautomatyzowana,

rozwój technologiczny umo liwia w coraz wi kszym stopniu:

- zbieranie, przetwarzanie i transmisj informacji,
- przesuni cie funkcji do urz dze peryferyjnych,

zakres funkcyjny urz dze jest okre lany rodzajem i zasi giem komunikacji.

Sie komunikacyjna w przedsi biorstwie wytwórczym

CAD

PPC

Komputer zakładu

CAPP

Komputer kierowania

wytwarzaniem

Sie biurowa

Sie

Backbone

Komputer gniazda

Serwer danych

Sie gniazda / systemowa sie obiektowa (

Fieldbus

)

Ustawianie

narz dzi

NC PLC

PLC

Sie obiektowa (

Fieldbus

) czujników/ elementów wykonawczych

Wymagania

Ilo

danych

Czas

reakcji

min.

Gbyte

Mbyte

0,1s

kbyte

bit, byte

Technika instalacyjna – okablowanie tradycyjne

Sterownik

Urz dzenia

peryferyjne

procesu

Rozdzie-

lacz

przewo-

dów

...

Okablowanie:

100 - 1000

sygnałów,

100 - 1000 m

długo ci

przewodów

Mo liwe zakłócenia:
• zakłócenia elektryczne,
• zakłócenia magnetyczne,
• zakłócenia wysokiej

cz stotliwo ci,

• zakłócenia elektrostatyczne,
• zakłócenia wskutek p tli

pr dowych.

Typy kabli:
• nie ekranowane jedno yłowe

przewody,

• ekranowane jedno yłowe przewody,
• nie ekranowane skr cone kable,
• wspólnie ekranowane skr cone

kable,

• pojedynczo ekranowane skr cone

kable.

Przej cie do

rozproszonych urz dze

peryferyjnych w dwóch

stopniach:

• przez podstacje na

poziomie sensorów/

elementów wykonawczych,

• przez cyfrowe sieci

obiektowe (Fieldbus) z

inteligentnymi modułami

interfejsowymi.

Bezpo rednie okablowanie (konwencjonalne

)

Szafa

sterownicza

PLC

Maszyna

Sensory/ Elementy

wykonawcze

Szafa

sterownicza

PLC

Maszyna

Np. rozproszone

moduły I/O

Rozproszone okablowanie

(zastosowanie sieci Fieldbus)

Field-

bus

Zalety

redukcja okablowania,
krótszy monta i

uruchamianie,

prostsze szukanie i

usuwanie bł dów,

prostsze projektowanie.

Korzy ci z zastosowania sieci miejscowych (

Fieldbus)

Przemysłowe sieci komunikacyjne -

Fieldbus

Konwencjonalne

okablowanie:

okablowanie:
przekazywanie analogowych

sygnałów elektrycznych,
ka dy sygnał analogowy

wymaga własnego fizycznego

poł czenia,
sygnał analogowy jest do

dyspozycji w systemie

automatyzacji w ka dej chwili.

Komunikacja przez sie

Fieldbus

szeregowa transmisja sygnałów

cyfrowych jako bitów,
ró ne sygnały cyfrowe

wykorzystuj wspólne fizyczne

poł czenie,
fizyczne poł czenie jest do

dyspozycji sygnałów cyfrowych

kolejno w czasie

(multipleksowanie czasowe).

Porównanie rozwi zania konwencjonalnego z komunikacj sieciow

Sieci komunikacyjne

Fieldbus

Ilo danych

Szybko

transmisji

Medium

transmisyjne

Zastosowania

1 ... 8 bit

1 ... 255

Byte

> 1

kByte

< 1

1 ... 10

... 1 s

Brak wymaga

czasowych

Ekranowanie

Zasilanie

pr dowe przez

kabel

magistrali

Własna

ochrona

Technika

wiatłowodowa

Nap dy

Procesy

ci głe

Procesy

wytwórcze

Kryteria wyboru systemu magistralowego

Metody dost pu do magistrali

Dost p losowy:

CSMA

: ka dy mo e w

ka dej chwili przesyła

informacj , a w

przypadku kolizji jest

powtórzenie.

Master/

Slave

Master okre la, która

stacja mo e si

komunikowa .

Kontrolowany

rozproszony dost p

do magistrali:

Zasada

token

’a

tylko

stacja maj ca

token

mo e nadawa .

B C

Losowa metoda dost pu do magistrali

z wykrywaniem kolizji CSMA/CD (ang.

Carrier Sense Multiple Access with

Collision Detection) i metoda

unikaniem kolizji CSMA/CA (ang.

Carrier Sense Multiple Access with

Collision Avoid).

Topologia sieci

Poł czenia logiczne i fizyczne

Struktura logiczna:

Przykład:

struktura

hierarchiczna

hierarchiczna
B, C i D wymieniaj

informacje tylko z A, a nie

miedzy sob

Mo liwo ci poł cze fizycznych:

Poł czenie punkt-punkt:
B, C i D mog wymienia

dane tylko z A

Magistrala linowa:
B, C i D mog wymienia

dane A i mi dzy sob

Magistrala pier cieniowa:

Poł czenia jak w magistrali

liniowej, przy awarii jednej ze

stacji pier cie jest przerwany.

Model warstwowy ISO/OSI

Model odniesienia ISO/OSI

Warstwa 1

Warstwa 2

Warstwa 3

Warstwa 4

Warstwa 5

Warstwa 6

Warstwa 7

lik

1011111010010110
Start Adres

%%I%%

Zobrazowanie

Transmisja bitów

Zabezpiecze

Transmisji

Transportowa

Sesji

Zobrazowania

Aplikacji

Wytworzenie sygnałów elektrycznych

Sterowanie dost pem, poł czenia

systemowe, tworzenie sumy kontrolnej,

wysyłanie i odbiór pakietów danych

Poszukiwanie dróg transmisji,

ł czenie systemów ko cowych

Przetwarzanie nazw, adresy

sieciowe, ł czenie uczestników

Tworzenie poł cze jako

jednostek wirtualnych

Dopasowanie formatów

danych

Interfejs aplikacji
Przetwarzanie informacji

Ochrona danych w sieciowym systemie komunikacyjnym

Zakłócenia

zewn trzne

Np. zakłócenia

napi ciowe

Zakłócenia

wewn trzne

Np. bł dy sprz tu/

oprogramowania

Niebezpiecze stwo bł dów transmisji

Zapewnienie integralno ci danych

przez:

przez:
• rozpoznawanie bł dów,
• usuwanie bł dów.

Mo liwe bł dy przy pakietowej

transmisji danych:

• niewła ciwa zawarto pakietu,
• pakiet niekompletny,
• bł dna kolejno pakietów.

Rozpoznawanie bł dów:
• cykliczny kod binarny (bit kontrolny).

Usuwanie bł dów:

• korekcja bł dów u odbiorcy,
• ponowna transmisja na danie

odbiorcy,

• ponowna transmisja po otrzymaniu

potwierdzenia u nadawcy.

Komunikacja otwarta

Interconnectivity

(poł czenie)

Interoperability

(współdziałanie)

Interchangeability

(wymienialno )

• Mo liwo poł czenia, urz dzenia mog

w zasadzie wymienia dane,

• Zapewnienie jest uzyskiwane przez test

zgodno ci, tzn. implementacja protokołu

odpowiada zadanej specyfikacji.

• Urz dzenia mog współpracowa ze sob

w warstwie aplikacji,

• Test urz dzenia w instalacji odniesienia

na bezbł dn komunikacj z

urz dzeniami innych producentów.

• Wymienialno urz dze ró nych

producentów; konieczny jest jednakowy

zakres funkcyjny urz dze .

Powstawanie standardu

Standard

facto

rozwi zanie oferowane przez okre lonego producenta przyjmuje si

np. wskutek:
• dominuj cej pozycji tego producenta na rynku,
• dost pno ci elementów składowych potrzebnych jego do budowy.
Przykłady: Ethernet, Bitbus, CAN, USB, Firewire, IEE 488, ...

Grupa zainteresowanych opracowuje wspólne rozwi zanie:

• w gremiach standaryzacyjnych i stowarzyszeniach firm.
Przykłady: PROFIbus, ASI, CIA, Interbus, FF, Hart, ...

Sieciowe systemy komunikacyjne w automatyzacji

Sieci obiektowe (

Fieldbus

)

Ogólne cechy:
•najcz ciej zrealizowane tylko warstwy 1,

2 i 7,

•systemy Multi-Master,
• wiatłowód, skr tka,
•komunikacja ko cowych u ytkowników,
•logiczne kanały komunikacyjne,
•telegramy o długo ci w bajtach,
•krótkie czasy cyklu,
•zdolno do pracy w czasie rzeczywistym,
•odporno na zakłócenia,
•tanie przył czenie.

Realizacje:
•kierowanie procesem,
•komunikacja PLC-PLC lub PLC-IPC,
•komunikacja mi dzy poziomem

obiektowym (czujniki/ elementy

wykonawcze) a układem sterowania,

•mała liczba uczestników,
•system Master-Slave, system z Token’em

lub CSMA/CA,

•firmowe: MPI (Siemens), Suconet P, ...
•otwarte: Profibus DP/ PA, CAN, Interbus,

ASI, ...

PROFIBUS

DP:

• przył czenie przez 1 układ

(

Chip),

• 235 byte danych

(dwukierunkowo),

• RS 485,
• skr tka,
• topologia: magistrala liniowa

lub struktura drzewiasta,

• sztywno konfigurowane

logiczne kanały

komunikacyjne,

• < 122 uczestników,
• czas cyklu < 50 ms,
• długo przewodów do 1200-

4800 m,

• koszt przył czenia < 600 PLN,
• ró ne profile dla: automatyzacji

budynków, nap dów, sensorów

i elementów wykonawczych.

CAN

CAN (

Controller Area

Network):

• ł czenie sterowników,

sensorów i elementów

wykonawczych w

samochodach i maszynach,

• szybko transmisji 1 Mbit/s,
• max. długo przewodów do

40m,

• medium transmisyjne jest

nie okre lone ( wiatłowód,

kabel miedziany, ...),

• metoda Multi-Master,
• protokół zorientowany na

informacj (zasada

rozgłaszania),

• zadawanie priorytetów,
• dost pne tanie układy

(

chip’y),

• opracowana przez firmy

Bosch i Intel.

ASI

ASI (

Aktor-Sensor-

Interface):

• przył czenie za pomoc 1

chip’a dla sensorów i

elementów wykonawczych,

• 4 bity danych

(dwukierunkowo),

• metoda Master-Slave,
• do 32 uczestników (1 Master

+ 31

Slave’ów),

• czas cyklu < 5 ms,
• zewn trzne elektroniczne

ustawianie adresów,

• sie o strukturze drzewiastej,
• długo przewodów do 100m

(bez

Reapeter’a),

• trój yłowy nie ekranowany

kabel z zasilaniem urz dze ,

• koszt przył czenia < 60 PLN.

Przykłady sieci obiektowych (ang.

Fieldbus)

Ró ne rozwi zania układów sterowania

Sterownik PLC

SCADA

Sterownik PLC

2. Sterowanie rozproszone

Czujnik

Zadajnik

Silnik

Przetwor

nik

Czujnik

Zadajnik

Silnik

Przetwor

nik

1. Sterowanie

scentralizowane

SCADA

HMI

Sie typu Fieldbus

Poł czenia

bezpo rednie

Sie LAN

(Ethernet)

3. Sterowanie z rozproszon

inteligencj

Inteligentne

urz dzenia

wyposa one

w procesory

RISC,

wbudowane

serwery

web

oraz interfejs

Ethernetu

Czujnik

Zadajnik

Silnik

Przetwor

nik

Przeł cznik

sieciowy (

Switch)

Nadrz dny system sterowania

SCADA (ang.

Supervisory Control System and Data

Acqusition) – system sterowania nadrz dnego, zbierania

danych i wizualizacji

HMI (ang.

Human Machine Interface) –

interfejs człowiek-maszyna

Obszar zastosowa sieci

LAN oraz WAN

w przedsi biorstwie wytwórczym

Urz dzenia sieciowe stosowane w sieciach LAN/WAN

Regenerator (

ang.

Repeater

)

Regenerator jest urz dzeniem warstwy fizycznej słu cym do ł czenia

poszczególnych segmentów medium transmisyjnego. Jego działanie polega na

wzmocnieniu sygnału odebranego z jednego segmentu i przesłaniu go do

drugiego. Umo liwia to utworzenie segmentu o maksymalnej długo ci (np. 1500 m

dla Ethernetu 10Base5, z wykorzystaniem 2 regeneratorów).

Koncentrator (

ang.

Hub

)

Koncentratory s urz dzeniami działaj cymi w warstwie fizycznej modelu ISO/OSI i

spełniaj one rol ł cznika pomi dzy komputerami. Działanie koncentratora jest

bardzo proste: przesyła on sygnał odebrany z jednego portu (przył cza) do

wszystkich pozostałych. Rozró nia si trzy rodzaje koncentratorów: aktywne, które

dodatkowo spełniaj funkcj regeneratorów, pasywne oraz inteligentne, które

oferuj tak e takie funkcje jak redundantne zasilanie, automatyczn zmian

polaryzacji w przypadku bł dnie wykonanego kabla poł czeniowego, regeneracj

sygnału, podstawow diagnostyk sieci (informowanie stacji o ich wadliwym

działaniu), wbudowany zegar czy nawet redundantny układ chłodzenia. Opó nienie

wprowadzane przez hub jest pomijalnie małe – dla koncentratora pracuj cego z

pr dko ci 10 Mbit/s jest ono mniejsze od 1 ms.

Urz dzenia sieciowe stosowane w sieciach LAN/WAN c.d.

Most (

ang.

Bridge

)

Mosty s urz dzeniami umo liwiaj cymi ł czenie sieci LAN, zapewniaj c im wymian

danych. Podobnie jak przeł czniki, mosty operuj na warstwie ł cza danych i mog by

u yte do podzielenia sieci na mniejsze domeny kolizyjne. Je eli na jednym z wej

most

odbierze ramk , której adresat znajduje si w segmencie sieci podł czonym do tego

wła nie wej cia, to oczywiste jest, e dotarła ju ona równie do niego i taka ramka jest

odrzucana (nie jest ona przesyłana do drugiego segmentu). Lokalizacja adresata odbywa

si na zasadzie stosowanej w przeł cznikach sieciowych. Zalet mostów jest to, e mog

one ł czy sieci o ró nym okablowaniu. Nie mog one jednak ł czy sieci o ró nej

metodzie dost pu do medium transmisyjnego (istniej jednak tzw. mosty tłumacz ce,

umo liwiaj ce poł czenie ró nych sieci). Mosty nie s jednak w stanie kontrolowa

transmisji typu

broadcast i dlatego te przepuszczaj cały ruch tego typu, co mo e

obni y wydajno

całego systemu. Kolejn wad tego rozwi zania jest dodatkowe

opó nienie transmisji w zwi zku z konieczno ci okre lenia przez urz dzenie adresu MAC

adresata. Ponadto, je eli w doł czonych do mostu sieciach wyst pi p tla (co mo e mie

miejsce w przypadku nieznajomo ci topologii całej sieci przez administratorów

poszczególnych segmentów, lub mo e by wprowadzona celowo - ze wzgl du na wymogi

bezpiecze stwa, aby zapewni systemowi redundancje), to przy stosowaniu kilku mostów

zachodzi niebezpiecze stwo zap tlania si ramek w sieci. Aby tego problemu unikn

implementuje si w mostach tzw. algorytm drzewa rozpinaj cego (ang.

Spanning Tree -

IEEE 802.1D), którego działanie polega na wył czeniu zdublowanych poł cze

uaktywnieniu ich dopiero w razie awarii. W zwi zku z tymi wadami mosty powoli przestaj

by stosowane i s one zast powane przez przeł czniki czy nawet rutery.

Ruter

(

ang.

Router

)

Ruter jest urz dzeniem warstwy sieciowej i mo e on ł czy wiele segmentów sieci (lub

podsieci). Zazwyczaj jest on wyposa ony w wydajny procesor, oprogramowanie nadzoruj ce

przepływ pakietów, wiele interfejsów LAN oraz porty sieci WAN. Jego działanie jest podobne do

działania mostu, jednak operuje on na adresie sieciowym (IP) a nie na adresie MAC. O kierunku

przesłania pakietów decyduje ruter na podstawie tzw. tablicy rutowania adresów sieciowych.

Funkcja ta działa na zasadzie porównania adresu odczytanego z pakietu z adresami zawartymi

w tablicy rutowania. Je eli adres zostanie odnaleziony w tabeli, to wówczas urz dzenie „wie”

gdzie skierowa dany pakiet (wyznacza cie k prowadz c do adresata - marszrut ). W

przeciwnym razie pakiet jest odrzucany. Wyró niamy rutery

statyczne

statyczne i

dynamiczne

dynamiczne. Rutery

statyczne musz by w pełni konfigurowane przez administratora sieci, natomiast rutery

dynamiczne do tworzenia i aktualizacji swoich tablic rutowania korzystaj z informacji

uzyskanych w swoich własnych segmentach jak równie od innych urz dze tej klasy. Dzi ki

temu s one ci gle w posiadaniu informacji na temat mo liwych tras do adresata, w skich

gardeł i przerwanych poł cze , co pozwala im na wyznaczenie najlepszej trasy przepływu

pakietu. Nowa wersja protokołu IP (IPv6) umo liwia wybór trasy równie przez nadawc

(u ytkownika), który np. b dzie mógł wybra operatora telekomunikacyjnego, z którego ł cz

zechce korzysta – zale nie od oczekiwanej pr dko ci, ceny czy stopnia bezpiecze stwa

danych. Du

zalet rutera jako urz dzenia wykorzystywanego do ł czenia sieci jest to, e w

zwi zku z jego prac w warstwie sieciowej mo e on

czy ze sob sieci o ró nych

architekturach, metodach dost pu do ł cza czy nawet protokołach (pod warunkiem, e s to

protokoły rutowalne, np. TCP/IP, IPX/SPX). Rutery maj jednak wady: mniejsza przepustowo

w stosunku do mostów (musz by wykonane dodatkowe operacje na przesyłanych pakietach),

wysoka cena czy wprowadzanie dodatkowego obci enia sieci podczas uaktualniania swoich

tablic przez rutery dynamiczne.

Urz dzenia sieciowe stosowane w sieciach LAN/WAN c.d.

Brama (

ang.

Gateway

)

Termin ten odnosił si kiedy do ruterów, jako do „bramy do wiata” pozwalaj cej na

podł czenie sieci lokalnej do Internetu. Obecnie mianem bramy okre lany jest zwykle

komputer wyposa ony w odpowiednie oprogramowanie i karty sieciowe, co pozwala takim

jednostkom na pełnienie ró nych funkcji. Jedna z nich to rola „tłumacza” i po rednika

pomi dzy odmiennymi systemami w sieci (np. wzajemna komunikacja i dzielenie zasobów

pomi dzy sieci opart na PC a sieci komputerów MacIntosh). Inn funkcj bram jest

tłumaczenie protokołów – potrzeba taka zachodzi np. w przypadku odebrania od nadawcy

pakietu takiego protokołu, którego adresat nie obsługuje. Kiedy brama ustali, jaki protokół

obsługuje adresat, to konwertuje informacj do postaci dla niego zrozumiałej i nast pnie

mu j przesyła. Istniej równie bramy poczty elektronicznej, które w razie potrzeby

konwertuj wiadomo ci elektroniczne z formatu wła ciwego programowi pocztowemu do

formatu ogólnie przyj tego (np. SNMTP), który mo e by

swobodnie przesyłany i

kierowany przez Internet. Bramy stosuje si równie w celu zabezpieczenia systemów

przed niepo danym dost pem z zewn trz. Mog one równie by wykorzystane do

filtrowania pakietów okre lonego typu. Wynika z tego, e brama mo e pełni wiele funkcji,

w zale no ci od oprogramowania i sposobu skonfigurowania. Ogólnie rzecz ujmuj c

wyró ni mo emy trzy rodzaje bram:

bramy protoko

bramy aplikacji

bramy aplikacji oraz

bramy

bezpiecze

stwa

stwa. Bramy operuj głównie w

Warstwie Aplikacji

Warstwie Aplikacji modelu OSI, lecz czasami

spełniaj funkcj warstwy

Sesji

Sesji a nawet

Sieci

Sieci. Operacje, jakie musz wykona bramy, aby

spe

postawione przed nimi zadania cz sto s

bardzo skomplikowane, co ma

odzwierciedlenie w czasie, jaki im to zajmuje. Dlatego te s one wolniejsze w dzia

aniu ni

np. rutery i wymagaj wydajnych, a co za tym idzie tak e drogich jednostek centralnych.

Ponadto ich instalacja i konfiguracja jest trudna.

Urz dzenia sieciowe stosowane w sieciach LAN/WAN c.d.

Prze

cznik sieciowy (

ang.

Switch

)

Przeł czniki sieciowe s obecnie „sercem” ka dej wi kszej sieci komputerowej. Na ich bazie powstaj

tak e deterministyczne aplikacje automatyki z wykorzystaniem

Ethernetu. Przeł czniki sieciowe,

podobnie jak koncentratory, s wieloportowymi urz dzeniami ł cz cymi wiele segmentów sieci w

wi ksz cało . S one jednak urz dzeniami inteligentnymi operuj cymi na warstwie ł cza danych.

Analizuj one adres MAC adresata ka dej ramki i na tej podstawie oraz na podstawie wewn trznej tabeli

adresów kieruj ramk do wyj cia, do którego adresat jest podł czony. Tabela adresów tworzona jest

automatycznie przez urz dzenie i od wie ana z ka d przychodz c ramk - odczytywany jest adres

nadawcy ramki, który nast pnie jest przypisywany wej ciu, do którego ramka ta wpłyn

a. Nale y tutaj

zaznaczy , e proces identyfikacji adresata realizowany jest sprz towo, co owocuje krótkim czasem

zestawienia poł czenia pomi dzy odpowiednimi portami urz dzenia. Istniej dwie podstawowe metody

działania przeł czników:

Store

And

Forward

Forward oraz

Cut

Through

Through. W pierwszym przypadku przeł cznik

przesyła ramk dalej dopiero po odebraniu całej ramki, gdy musi ona zosta poddana sprawdzeniu jej

poprawno ci na podstawie danych kontrolnych (CRC), które s przesyłane na jej ko cu. W przypadku

stwierdzenia bł dów w ramce jest ona odrzucana. Metoda ta powoduje opó nienia zwi zane z weryfikacj

ramki. Przesłanie najwi kszej dopuszczalnej przez Ethernet ramki przez przeł cznik operuj cy z

pr dko ci 10 Mbit/s zajmuje około 1.2 ms, podczas gdy najkrótsza ramka zostanie przesłana w czasie

500 ms. Metoda

Cut-Through polega na skierowaniu ramki do odpowiedniego portu z chwil , gdy

przeł cznik jest w stanie okre li jedynie adres odbiorcy. Zalet tej metody jest szybko

działania

wynikaj ca z braku opó nie zwi zanych z oczekiwaniem na cało

ramki oraz sprawdzaniem jej

poprawno ci. Poniewa adres odbiorcy umieszczony jest w ramce Ethernetu zaraz po preambule, to

przeł cznik jest w stanie szybko okre li port, do którego powinien przesła ramk i przy zało eniu, e

port docelowy nie jest zaj ty, cała operacja przeł czania mie ci si w czasie ok. 11 ms. Istnieje jednak

niebezpiecze stwo, e ramka oka e si uszkodzona. Wówczas zostanie ona przesłana bezcelowo,

niepotrzebnie zajmuj c ł cze. Sytuacja jest jeszcze gorsza, je eli port, do którego ramka ma zosta

przesłana jest zaj ty. Wówczas taka ramka b dzie przez dodatkowy okres czasu przechowywana w

buforze, niepotrzebnie go zajmuj c. Jednak obecnie, gdy wi kszo

urz dze pracuje w trybie

full-duplex

i nie dochodzi do kolizji, to takie sytuacje zdarzaj si niezmiernie rzadko.

Urz dzenia sieciowe stosowane w sieciach LAN/WAN c.d.

Scentralizowana automatyzacja

Sterowanie

centralne

Dane

Program

Binarne

I/O

Elementy

wykonawcze

Sensory

Zalety:

Zalety:
• dobre mo liwo ci strukturyzacji

oprogramowania,

• nie ma wymaga komunikacyjnych.

Wady:

Wady:
• okablowanie wymaga du ych nakładów,

jest drogie i nieprzejrzyste,

• modularyzacja jest bardzo trudna,
• nie ma mo liwo ci ponownego

wykorzystania oprogramowania.

Na rynku:
• małe, kompaktowe sterowniki: 16/32 I/O,
• rednie sterowniki: do 256 I/O,
• du e sterowniki: do 4096 I/O.

Rozproszona automatyzacja

Zalety:

Zalety:
• proste i tanie okablowanie,
• mo liwo budowy modułowej instalacji,
• mo liwo ponownego wykorzystania oprogramowania.

Wady:

Wady:
• wymagaj ca du ych nakładów, kosztowna komunikacja,
• mudna synchronizacja i wyrównywanie danych,
• trudne uruchamianie, utrzymanie stanu i piel gnacja.

Elementy

wykonawcze

Sensory

Binarne

I/O

Dane

Program

Sterownik

Dane

Program

Elementy

wykonawcze

Binarne

I/O

Sensory

Elementy

wykonawcze

Sensory

Binarne

I/O

Wymiana danych/ komunikacja

Zalety rozproszonych systemów automatyzacji

Zalety:

Zalety:
• proste i tanie okablowanie,
• dobre mo liwo ci budowy modułowej,
• dobra strukturyzacja oprogramowania,
• otwarta komunikacja, tzn. otwarte, heterogeniczne systemy

Binarne

I/O

Elementy

wykonawcze

Sensory

Binarne

I/O

Elemen-

ty wyko-

nawcze

Binarne

I/O

Sensory

Obsługa, obserwacja,

analiza

Integracja pozioma:

• wymiana danych w czasie rzeczywistym

Integracja

pionowa:

pionowa:
• sie zakładu,
• Internet

(logistyka,

zdalny serwis)

Platforma komunikacyjna

Aplikacja 1

(PLC)

Aplikacja 2

(PLC)

Aplikacja 3

(CNC)

Aplikacja n

(RC)

Przejazd przez P1, P2 do P4
Przejazd liniowo do P5

Proces ewolucji w automatyzacji przemysłowej

wcze niej

obecnie

w przyszło ci

Czas

Stopie decentralizacji

Automatyzacja

scentralizowana

Automatyzacja

rozproszona,

sieciowa

Niezale ne

poł czenia

sieciowe przez

„inteligencj ” w

urz dzeniach

peryferyjnych

Obecna komunikacja w automatyzacji wytwarzania

Jednostka

wskazuj ca

Panel

operatorski

Sprz g

magistr.

Rozpro-

szone I/O

Rozpro-

szone I/O

Rozpro-

szone I/O

Wizualizacja

procesu

Fieldbus 2

Fieldbus 1

Fieldbus 3

Magistrala sterowania

Ethernet

Internet

Extranet

Magistrala A/S

Wady obecnych systemów komunikacyjnych

Aktualna

sytuacja

Wiele

systemów

sieciowych

Ró ne

metody i

protokoły

Ró norodne

topologie

Wysokie koszty

i wiele firmowych

elementów

Heterogeniczne

zastawy danych

Ró norodne

systemy

operacyjne

Firmowe

rozwi zania

systemów

Procesory

dopasowuj ce

i Gateway’e

Brak uzyskania przelotowo ci komunikacyjnej sieci, sprz tu i oprogramowania

Internet

Extranet

Ethernet TCP/IP

Deterministyczny Ethernet-TCP/IP czasu

rzeczywistego z technologi przeł czania (

Switching)

Pionowa integracja przepływu informacji w komunikacji

Przelotowy Ethernet TCP/IP

Cel

po re

dni

PC (programowanie i sterowanie)

PC konfiguruje sie

PC do monitorowania

Komponenty s parametryzowane i

ustawiane ich własno ci

Komponenty pracuj i komunikuj si

tylko ze sob

/IP

Komunikacja przez:

Ethernet

TCP/IP

Składniki sterowania:

•

sensory,

•

elementy

wykonawcze,

•

małe grupy sensorów

i elementów

wykonawczych.

Zastosowanie Ethernet’u

Obecnie w technice automatyzacji wyst puje trend stosowania

standardowych technologii informatycznych.

• Tanie rozwi zanie (rynek

masowy),

• Szerokie rozpowszechnienie,
• Przelotowo przepływu

informacji (wł czenie do

obszaru biurowego),

• Standardowy sprz t.

• Wymagane dopasowanie do

specjalnych wymaga automatyzacji,

• W zasadzie nie spełnia wymaga

czasu rzeczywistego,

• Przej cie problemów z obszaru

biurowego (włamania do sieci,

wirusy, problemy bezpiecze stwa).

Cechy:

Cechy:
Metoda dost pu:

CSMA/CD (nie deterministyczna)

Szeroko pasma:

10 Mbit/s do 1 Gbit/s

Medium transmisyjne:

kabel miedziany lub wiatłowód

Rozległo :

dla kabla miedzianego max. 50m przy 100Mbit/s

Ethernet a wymagania czasu rzeczywistego

Du a szeroko pasma transmisyjnego Ethernet’u, w porównaniu z sieciami

Fieldbus, redukuje problem z wyst powaniem kolizji.

Jednak e dla wysokich wymaga czasu rzeczywistego wzgl. synchronizacji

Ethernet nie jest wystarczaj cy (np. regulacja poło enia).

Mo liwe rozwi zania

Rozwi zanie programowe

Modyfikacja w wy szych

warstwach protokołu
(np. metoda pier cienia czasowego,

max. wielko pakietów danych).

Rozwi zanie sprz towe

Przeł czanie

(switching) z

ustawianiem priorytetów

telegramów.

• brak dodatkowego sprz tu,
• zwykli uczestnicy s łatwi w

integrowaniu, jednak zakłócaj

funkcjonalno .

• nie s potrzebne adne

modyfikacje u uczestników,

• wymagaj cy du ych nakładów

sprz t (Switch’e).

Obszary zastosowa Ethernet’u w automatyzacji

Zastosowanie Ethernet’u w automatyzacji produkcji wymaga dodatkowych nakładów

(wymagania czasu rzeczywistego, wpływy otoczenia, ochrona dost pu).

Koszty realizacji przył cze Ethernet’owych przekraczaj obecnie koszty zwykłych

rozwi za typu

Fieldbus, a opłacalne zastosowanie Ethernet’u jest silnie uzale nione

od ka dorazowej aplikacji.

Poł czenie w sie

zamkni tych

inteligentnych

składników.

Poł czenie w sie

inteligentnych

nap dów.

Poł czenie w sie

rozproszonych

modułów I/O.

Wymagania czasu

rzeczywistego

Koszty

sprz tu

Liczba

sztuk

Niskie

Wysokie

Wyso-

kie

Wyso-

kie

Niskie

Du a

red-

nia

Mała

Komunikacja mobilna w przedsi biorstwie wytwórczym

Obrabiarka

WebPad

Telefon

komórkowy

PDA

(

Personal

Digital Assistent)

Przeno ny pulpit

sterowniczy

Notebook

Sterownik

procesu

Robot

Baza

danych

Automatyczny

wózek samojezdny

Komunikacja bezprzewodowa - podczerwie

Systemy bezprzewodowego przesyłania danych, wykorzystuj ce podczerwie , s

obecnie przede wszystkim wykorzystywane w pilotach do telewizora, wie y itp. Dioda

zamontowana w pilocie wysyła modulowany sygnał wietlny w podczerwieni, który jest

odbierany przez czujnik umieszczony w telewizorze. Sygnały te s nast pnie

dekodowane i realizowane s wydane polecenia (np. zmiana programu, czy zwi kszenie

gło no ci). System ten mo na jeszcze spotka tak e np. w laptopach, ale jest on

wypierany przez Bluetooth i inne systemy radiowe. Główn wad przesyłania danych w

podczerwieni jest konieczno „widzenia si ” nadajnika i odbiornika – nie mo e by

mi dzy nimi adnych przeszkód. Ponadto szerzej stosowany w komputerach standard

komunikacji bezprzewodowej na podczerwie ma mał szybko przesyłania danych –

115kbit/s. Najnowsze rozwi zania maj natomiast szybko transmisji 4 Mbit/s. Wad

tego rozwi zania jest niewielki zasi g transmisji – skutecznie mo na przesyła dane na

odległo 1-2 m.

Zalety:

mały pobór mocy,
niska cena,
wysoki poziom bezpiecze stwa.

Wady:

konieczno „widzenia si ” urz dze ,
mała szybko transmisji,
mały zasi g.

Zastosowanie:

Zastosowanie:
Piloty, telefony komórkowe, komputery przeno ne, słuchawki bezprzewodowe.

Komunikacja bezprzewodowa - Bluetooth

System komunikacji bezprzewodowej Bluetooth jest oparty na radiowej transmisji

danych w pa mie 2.4 GHz. Nadajnik i odbiornik s umieszczone w niewielkim układzie

scalonym, który mie ci si nawet w małych urz dzeniach. Niewielki pobór pr du

powoduje, e system Bluetooth jest stosowany w telefonach komórkowych, myszkach

bezprzewodowych i innych urz dzeniach z zasilaniem bateryjnym. Standardowe

układy Bluetooth zapewniaj transmisj w promieniu 10 m. W systemie Bluetooth

zastosowano zabezpieczenia przed włamaniami hakerów, które m.in. wymagaj

ka dorazowej zgody obu u ytkowników lub udzielenia stałej autoryzacji na przesyłanie

mi dzy nimi danych. System ten umo liwia przesyłanie danych z szybko ci do

3Mbit/s, ale w wi kszo ci zastosowa wykorzystuje si 1 Mb/s. Nazwa Bluetooth

pochodzi od yj cego w X w. du skiego króla Haralda Blutanda (Sinoz bnego), który

zjednoczył zwa nione plemiona Danii i Norwegii.

Zalety:

du a szybko transmisji,
mo liwo komunikacji przez przeszkody,
powszechno standardu.

Wady:

mo liwe luki w bezpiecze stwie.

Zastosowanie:

Zastosowanie:
telefony komórkowe, zestawy gło no-mówi ce i słuchawkowe, drukarki, myszy,

klawiatury, komputery, odbiorniki GPS.

Komunikacja bezprzewodowa – Wi-Fi

System komunikacji bezprzewodowej Wi-Fi (ang.

wireless fidelity) jest nawi zaniem do

skrótu Hi-Fi (ang.

high fidelity). System Wi-Fi opracowano jako bezprzewodow radiow

alternatyw dla lokalnych sieci komputerowych, obejmuj cych kilka pomieszcze lub

budynek. Ze wzgl du na wygod i dobre parametry transmisji Wi-Fi bardzo szybko zdobyła

rynek i jest obecnie montowana niemal w ka dym laptopie, a cz sto tak e w komputerach

stacjonarnych. Budowa lokalnej sieci Wi-Fi wymaga instalacji punktu dost powego –

centralnego urz dzenia, z którym ł cz si pozostałe. Urz dzenie centralne jest zwykle

podł czane przewodowo do ł cza internetowego i umo liwia dost p do sieci. Tego rodzaju

urz dzenia s montowane w hotelach, centrach handlowych czy lotniskach, a punkty w

których udost pnia si internet nazywane s

hot-spot’ami. S tak e aparaty fotograficzne,

które komunikuj si z komputerem przez ł cze Wi-Fi. Na rynku istnieje kilka odmian

systemu Wi-Fi, a najpopularniejszymi z nich s 802.11b i 802.11g. Standard 802.11b

zapewnia szybko transmisji danych do 11 Mbit/s, a 802.11g – do 54 Mbit/s. Najnowszy

standard Wi-Fi 802.11n umo liwia natomiast szybko transmisji 100 Mb/s. Sieci Wi-Fi

korzystaj głownie z cz stotliwo ci 2.4 GHz. Zasi g sieci Wi-Fi w budynku wynosi od kilku

do ok. 50 m, a poza budynkami do 300 m.

Zalety:

powszechno standardu,
du a szybko transmisji,
du y zasi g.

Wady:

podatno na zakłócenia,
do du y pobór pr du,
problemy z bezpiecze stwem w standardzie 802.11b.

Zastosowanie:

Zastosowanie: komputery przeno ne i stacjonarne, aparaty fotograficzne, konsole do gier.

Komunikacja bezprzewodowa – WiMax

Bezprzewodowa radiowa sie komputerowa du ego zasi gu WiMax (ang.

World

Interoperability for Microwave Acces) jest bardzo podobna technicznie do sieci

Wi-Fi i mo na je ze sob ł czy . Sie WiMax mo e mie zasi g do nawet do 50 km.

Szybko transmisji danych w sieci WiMax wynosi do 70 Mbit/s. System WiMax

stanowi konkurencj dla przewodowych ł czy internetowych – modemów,

telewizji kablowej czy stosowanego przez Neostrad systemu DSL. System WiMax

opłaca si stosowa w miastach, gdy s trudno ci z układaniem kabli oraz na

wsiach, gdzie s du e odległo ci mi dzy budynkami i nie jest opłacalna budowa

sieci kablowej. WiMax w obecnie stosowanej wersji 802.16a działa w zakresie 2-

11 GHz.

Zalety:

du y zasi g
wysoka szybko

transmisji.

Wady:

małe rozpowszechnienie standardu,
problemy z licencjami na wykorzystanie

pasma cz stotliwo ci.

Zastosowanie:

Zastosowanie:
komputerowe sieci dalekiego zasi gu.

Rozproszona automatyzacja

Wcze niej

Obecnie

Centralny sterownik z

podrz dnymi urz dzeniami

peryferyjnymi

Rozproszona „inteligencja”

umieszczona w pobli u procesu

Cechy budowy modułowej

• Maszyny i programy steruj ce maj budow modułow ,
• Stosowane s jednolite interfejsy,
• Wykorzystuje si inteligentne moduły.

Zalety:

Zalety:
• Przejrzyste cz ci programów,
• Cz ci systemu s mo liwe do ponownego wykorzystania,
• Proste, nie firmowe aplikacje z narz dziami graficznymi,
• Nie firmowa diagnostyka.

Zdalne technologie

Zdalny dost p do instalacji produkcyjnych przez wykorzystanie integracji w pionowym

przepływie informacji w przedsi biorstwie i standardowych technologii internetowych.

Zalety:

Zalety:
• Diagnostyka, testowanie i

uruchamianie zdalnie przez

ekspertów,

• Szybkie dysponowanie

potrzebnym

know-how,

• Oszcz dno na kosztach

podró y.

Rozproszona automatyzacja

Migracja

funkcji

Wpływ na technik sprz tow :

Składniki

systemów

automatyzacji

Urz dzenia

dodatkowe

Przetwarzanie sygnałów w sensorach/

elementach wykonawczych oraz innych

urz dzeniach zamiast w coraz wi kszych PLC:

mniejsza zło ono oprogramowania PLC.

Sieciowy system komunikacyjny zamiast

poł cze typu punkt-punkt:
oszcz dno kabli, zacisków, kart

interfejsów.

Przestrzenne rozproszenie sprz tu:

zredukowanie szaf sterowniczych,
unikanie centralnego chłodzenia.

Rozproszona automatyzacja

Projektowanie

Wpływ na realizacj aplikacji:

Instalacja

Uruchamianie

Przejrzysty zakres funkcyjny poszczególnych

składników:

uproszczenie opracowania oprogramowania.

Funkcjonalny podział sprz tu i

oprogramowania:

mo liwo ponownego wykorzystania modułów

programowych.

Moduły steruj ce odpowiadaj zespołom

mechanicznym:

mo liwo stopniowego uruchamiania,
unikanie centralnego chłodzenia.

Przejrzysty sprz t i oprogramowanie:

ułatwienie testowania programów.

Normalna

praca

Wpływ na eksploatacj :

Usuwanie

zakłóce

Utrzymanie

ruchu

Zmniejszenie liczby gniazd/wtyków i kabli:

zwi kszenie niezawodno ci.

Zwi kszona przejrzysto instalacji:

szybka lokalizacja zakłóce ,
mo liwa automatyczna diagnoza i obsługa bł dów.

Modułowy sprz t i oprogramowanie, system sieciowy:

uproszczenie utrzymania instalacji elektrycznej,
uproszczenie piel gnacji oprogramowania,

ułatwienie rozbudowy instalacji.

Rozproszona automatyzacja

Przesuni cie funkcji na poziom obiektowy:

skalowalna architektura, zwi kszona pewno .

Sprz t umieszczony w pobli u procesu, rozproszona

inteligencja:

skrócenie czasów reakcji, mniejsze programy.

Rozproszona automatyzacja

Cechy rozproszonej automatyzacji

Rozproszona automatyzacja:

mniejsze koszty

projektowania i

eksploatacji,
wi ksza elastyczno ,
szybsza realizacja,
wi ksza dyspozycyjno
łatwiejsza rozbudowa.

Scentralizowana automatyzacja:

mniejsze koszty sprz tu.

Systemy otwarte

Wymagania u ytkownika

U ytkownicy składników automatyzacji, np. producenci maszyn lub

urz dze , chc stosowa systemy ró nych oferentów, aby:

osi ga korzy ci cenowe z konkurencji na rynku,
stosowa najlepsze rozwi zania techniczne dla realizacji poszczególnych zada ,
wykorzystywa opracowane własne rozwi zania (specyficzny know-how),
...

Jednak e cz sto tych oczekiwa nie spełniaj „systemy zamkni te” ro nych

oferentów techniki automatyzacji, np.:

oprogramowanie funkcyjne NC,
firmowe systemy sieciowe,
j zyki programowania PLC.

Systemy otwarte

Co to jest system otwarty?

Definicja

System jest otwarty wtedy, gdy całkowita specyfikacja

odno nie do:

interfejsów (struktura danych, protokoły) oraz
zwi zanej z tym funkcjonalno ci

jest znana i tym samym mo liwa jest jego rozbudowa

przez stron trzeci .

Stopnie

otwarto ci

Rozró nia si ró ne stopnie otwarto ci w zakresie:

poł czenia (Interconnectivity),
współdziałania (Interoperability),
wymienialno ci (Interchangeability).

Te własno ci mo na sprawdzi np. w instalacji

heterogenicznej typu multi-vendor.

Systemy otwarte

Systemy otwarte i standaryzacja

Standaryzacja daje dalsze korzy ci:

ujednolicanie odbywa si stopniowo i jest ogólnie dost pne,

baza informacyjna:

zapewniona jest ci gło rozwoju,
gwarantowana jest wymienialno składników,
zapewnienie jako ci,
ogólna akceptacja (zalecenia) a do wi

cych przepisów

(normy).

Konieczno standaryzacji jest uznawana zarówno przez

producentów jak i u ytkowników.

Obecne komputery przemysłowe składaj si z architektur mikroprocesorowych.

Zale nie od budowy mo na wyró ni nast puj ce podstawowe typy

komputerów:

1. Systemy jednopłytkowe (ang.

Embedded Systems), systemy okrojone do

realizacji jednego zadania, najcz ciej z mikrokontrolerem jako jednostk

centraln .

2. Systemy PC.
3. Modułowe systemy mikrokomputerowe, skalowalne systemy

mikrokomputerowe dla ró nych zada automatyzacji.

4. Komputerowe sterowniki przemysłowe, np. CNC, RC, PLC, systemy

komputerowe okrojone do realizacji zada sterowania i regulacji.

We wszystkich przypadkach zawieraj one:

J dro mikroprocesorowe, procesory sygnałowe lub mikrokontrolery

(mikrosterowniki),
pami ,
Interfejsy do urz dze peryferyjnych,
magistral systemow .

Podstawowe typy komputerów (sterowników)

Budowa systemu mikrokomputerowego

Mechanizm steruj cy

Mechanizm obliczeniowy

Jednostka centralna (CPU)

Pami główna

(dla programów i danych)

Interfejsy wej /

wyj

Urz dzenie ł cz ce

(Magistrala systemowa)

Urz dzenia

peryferyjne

Mikroprocesor

Mikrokomputer

System mikrokomputerowy

Koszty odgrywaj istotn rol .

Nie s stosowane najszybsze i najnowsze

procesory, lecz takie, które spełniaj postawione

zadanie przy minimalnych kosztach.

Przemysłowe PC (

Industrial PC)

Zalety i wady IPC:

• Kompatybilno z biurowymi PC:

korzystne cenowo sprz t i oprogramowanie

rynku masowego

• Otwarto : ustalona architektura i system

operacyjny jako standard przemysłowy

(niezale no od producenta),

• Znana warstwa obsługi u ytkownika,
• Uniwersalno : IPC nie jest

przeznaczony dla okre lonego zadania,

• Funkcjonalno : np. wygodna warstwa

u ytkownika, pami masowa, j zyki

wysokiego poziomu, interfejs do drukarki,

• Niskie koszty: aplikacja układu

sterowania na bazie IPC jest korzystniejsza

cenowo ni na porównywalnym sterowniku

przemysłowym.

• Ekstremalnie krótkie cykle innowacji:

szybkie skoki technologiczne zderzaj si

z yczeniami u ytkowników dotycz cymi

ci gło ci rozwoju,

• Problematyka I/O: PC nie jest

przystosowany do wprowadzania/

wyprowadzania sygnałów procesu

(problemy z kompatybilno ci

elektromagnetyczn , dodatkowe karty),

• Koszty sprz tu: IPC nie mo e

konkurowa cenowo ze sterownikami

przemysłowymi w dolnym zakresie

mo liwo ci (małe PLC).

Przemysłowe PC (IPC)

Procesor

Procesory Intel Pentium

System

operacyjny

Windows NT/2000, Linux lub system operacyjny

czasu rzeczywistego, np. VX Works, Linux RT

Typowe obszary

zastosowa

• Wizualizacja procesów (np. systemy SCADA),
• Soft-PLC,
• Zbieranie i ocena danych (np. zapewnienie jako ci),
• Programatory,
• Systemy dyspozytorskie.

Przemysłowe PC – wymagania i mo liwo ci ich realizacji

Niezawodno , równie w

pracy ci głej

Układy podtrzymywania zasilania

(UPS), zast pienie mechanicznych

pami ci dyskowych, układy

nadzorowania (

Watchdog), ...

Zdolno do pracy w czasie

rzeczywistym

Odporno na

oddziaływanie otoczenia

System operacyjny czasu

rzeczywistego (kompatybilny z

DOS/Windows lub Unix)

Zapewnienie wysokiego stopnia

ochrony IP przez technik

niskonapi ciow , odpowiednia ze

wzgl du na KEM konstrukcja,

urz dzenia do chłodzenia, klawiatura

foliowa, zalewanie płytek

drukowanych, specjalne gniazda

wtykowe

Zdolno do komunikacji

przemysłowej

Zdolno do wbudowania

Moduły komunikacyjne, np. karta

Profibus, Industrial Ethernet

Przemysłowa technika zabudowy (np.

kaseta 19”)

Wymagania dotycz ce techniki

automatyzacji

Mo liwo ci realizacji

wymaga

Komputer PC

jako układ

sterowania

obrabiarki

Monitor

Kierowanie obsług

Obserwacja

Funkcje gniazda

...

Skrawanie

Obróbka plastyczna

...

Sterowanie sekwencyjne

Sygnały I/O

...

Komputer PC

jako HMI

Operator

Przemysłowy

Sterownik

komputerowy

(czas rzeczywisty)

Proces

Skrawanie

Kierowanie

obsług

Obserwacja

Funkcje

gniazda

...

Monitor

Obszary zastosowania komputerów PC w sterowaniu

Przykład systemu typu SCADA do wizualizacji i monitorowania

procesów przemysłowych, linii technologicznych, maszyn

i urz dze , a tak e nadzoru i sterowania w oparciu o

programowalne sterowniki i urz dzenia kontrolno-pomiarowe

Mo liwo ci zastosowania IPC w sterowaniu maszyn

IPC i sterownik

maszyny

IPC

Obsługa,

Obserwacja,

Jako komputer

dyspozytorski

Operator

Sterownik

Sterowanie

maszyn

Proces

•

IPC uzupełnia

wła ciwy

sterownik (np.

PLC),

• Nie jest

bezwarunkowo

wymagana

zdolno IPC do

pracy w czasie

rzeczywistym

• W IPC nie jest

wymagana

mo liwo

wyprowadzania

danych dla

sygnałów procesu.

IPC zamiast sterownika

maszyny

Operator

Proces

IPC

Obsługa,

Obserwacja,

Komunikacja z

komputerem

nadrz dnym,

Sterowanie

maszyn

• IPC zast puje

wła ciwy

sterownik,

• Jest

bezwarunkowo

niezb dna

zdolno IPC do

pracy w czasie

rzeczywistym,

• W IPC jest

wymagana

konieczno

wprowadzania/

wyprowadzania

danych dla

sygnałów

procesu.

Rodzaje budowy sterowników komputerowych

IPC ze zintegrowanym PLC

PLC jako moduł IPC

Slot

PLC

PLC jako program IPC

Soft

PLC

IPC

PLC

IPC

Wymaga systemu

operacyjnego czasu

rzeczywistego

Systemy modułowe

Przemysłowy PC

Urz dzenia kompaktowe

Rozwi zania specjalne

S opłacalne tylko dla

du ych serii i nie

maj znaczenia w

automatyzacji

instalacji

przemysłowych

Rozwi zania kompaktowe

Standardowa budowa modułowa
Standardowe interfejsy
Otwarty protokół komunikacyjny

Ekonomiczne zastosowanie dla małych

aplikacji
Ograniczona moc obliczeniowa
Małe gabaryty
Mała liczba wej /wyj
Łatwa ochrona przed wpływami otoczenia

Porównanie własno ci PLC, NC i PC

Klasyczne własno ci

PLC

Biurowy PC

Funkcje

• wył cznie

działania logiczne

na binarnych

sygnałach

wej ciowych i

wyj ciowych

•głównie tworzenie

warto ci zadanej

poło enia,

•wprowadzanie

programu.

• zbieranie danych,
• ocena,
• wymiana danych,
• itp.

Technika

sprz towa

oprogramo

wanie

•

brak pola obsługi,

• specjalne procesory,
• brak pami ci

masowej,

• bezpo rednie

przył czenie

urz dze procesu,

• programowanie w

j zyku podobnym do

Assemblera.

• mało wygodne pole

obsługi,

• specjalne procesory,
• brak pami ci masowej,
• czytnik ta my

perforowanej,

• programowanie w

j zyku podobnym do

maszynowego.

• ekran graficzny,
• standardowy procesor,
• pami masowa,
• interfejs sieciowy,
• programowanie

najcz ciej w j zykach

wysokiego poziomu,

• sprz t nie nadaj cy si

do zastosowa

przemysłowych.

Ró norodne zadania powoduj silne ró nice w sprz cie, programowaniu itp.

Stapianie si PLC, NC i IPC

Obecne własno ci

PLC

Przemysłowy PC

Funkcje

•

działania logiczne na

sygnałach binarnych,

• przetwarzanie danych

analogowych,

• regulacja/ pozycjonowanie,
• diagnostyka,
• funkcje obliczeniowe,
• wizualizacja procesu,
• wymiana danych.

•

regulacja poło enia

•

programowanie,

• nadzorowanie i diagnostyka,
• funkcje komputera gniazda

(zarz dzanie programami,

rozdział zlece ),

• zbieranie danych

produkcyjnych,

• wymiana danych.

•

zbieranie danych,

• ocena,
• wymiana danych,
• regulacja,
• obsługa i obserwacja,
• itp.

Technika

sprz towa

i oprogra-

mowanie

•

urz dzenie obsługi,

• specjalne procesory,
• pami masowa,
• interfejs sieciowy,
• moduł regulatora,
• programowanie cz sto w

j zykach wy szego

poziomu.

• monitor graficzny,
• pami masowa,
• moduł regulatora,
• interfejs sieciowy,
• programowanie w j zyku

wy szego poziomu.

•

standardowy procesor,

• pami masowa,
• interfejs sieciowy,
• programowanie

najcz ciej w j zykach

wysokiego poziomu,

• sprz t nadaj cy si do

zastosowa

przemysłowych.

Podobne zadania s realizowane przez podobny sprz t i oprogramowanie.

Stapianie si PLC, NC i IPC

Upodabnianie si PLC, NC i IPC

Upodabnianie si :

funkcjonalne,
w zakresie sprz tu,
w zakresie

oprogramowania.

Układ

sterowania

numerycznego

Sterownik

swobodnie

programowalny

Przemy-

słowy PC

Rozwój w

kierunku

sterownika

uniwersalnego

Zestawienie cech komputerów osobistych (PC),

sterowników swobodnie programowalnych (PLC)

i programowalnych sterowników automatyki (PAC)

Zgodno z wersjami poprzednimi

Mo liwo skalowania w danym rozwi zaniu

Dyscypliny sterowania wielokrotnego

Zdolno kontroli danych/ Mo liwo ledzenia

Bezpiecze stwo, poziomy dost pu

Długi redni okres mi dzyawaryjny, krótki redni czas naprawy

Dost p bezprzewodowy

Interfejsy mi dzy ró nymi protokołami

Elastyczna pojemno pami ci

Bardzo szybka jednostka centralna

Kompleksowa symulacja procesu

Zintegrowane procedury dedykowane

Funkcjonalno HMI w jednej platformie

Obszerne operowanie bazami danych

Zaawansowane algorytmy sterowania

Praca w sieci na platformach wy szego poziomu

PAC

PLC

Cecha

Przemysłowe zastosowania PC, PLC i PAC

Odporno mechaniczna i niezawodno

liw

PC:

Komputery osobiste (PC)

Elastyczne

oprogramowanie

Komunikacja

Operowanie danymi

Hardware analogowy

PAC:

Programowalne sterowniki

automatyki (PAC)

Niezawodno PLC

Funkcjonalno PC

PLC:

Sterowniki swobodnie programowalne (PLC)

Wysoka tolerancja na wstrz sy i wibracje

System działaj cy w czasie rzeczywistym

Certyfikaty przemysłowe

Miniaturyzacja

Rozwój na poziomie elementów

Moduły

multi-chip

Technika

mikrosystemów

Ci gle rosn cy stopie

integracji pami ci i

procesorów

Redukcja liczby

elementów dyskretnych

przez ASIC

ASIC (ang. Application Specific Integrated Circuit) –

zintegrowany układ do realizacji specjalnych aplikacji

Miniaturyzacja

Oddziaływanie na poziomie sprz tu

Na poziomie sprz tu miniaturyzacja prowadzi do:

zmniejszenia wielko ci budowy pomimo wi kszego zakresu funkcyjnego,
szybszego przetwarzania sygnałów,
mniejszych kosztów produkcji (mniej procesów monta u itp.),
zdolno ci systemowej sprz tu.

Przykładami tego rodzaju systemów s :

mikro PLC,
małe, inteligentne sensory/ elementy wykonawcze.

Oddziaływanie na poziomie instalacji

Mniejsze urz dzenia oznaczaj dla maszyn i instalacji :

zmniejszenie wielko ci szaf sterowniczych, ewentualnie ich redukcj ,
umo liwienie realizacji rozproszonej automatyzacji,
...

Granice automatyzacji – mo liwo ci opanowania

Wzrost stopnia automatyzacji oznacza zwykle zwi kszenie

zło ono ci systemu, co mo e si wi za ze zmniejszeniem jego

dyspozycyjno ci.

Im system jest bardziej zło ony, tym jest trudniejszy do

opanowania zarówno u producenta jak i u ytkownika:

opanowania zarówno u producenta jak i u ytkownika:
uruchamianie bardzo zło onych systemów jest zwi zane z du ymi

nakładami czasu,
za obszerny zakres funkcyjny prowadzi do przeci enia operatora,
ze wzrostem zło ono ci systemu wzrasta ryzyko bł dnych działa

ludzkich w krytycznych sytuacjach,
lokalizacja i usuwanie bł dów w zło onych systemach

automatyzacji jak to wynika z do wiadcze powoduje du e

trudno ci.

100

Granice automatyzacji

Kryteria ekonomiczno ci stopnia automatyzacji

Produktywno ,
Elastyczno ,
Redukcja kosztów,
Poprawa jako ci,
Image.

Koszty

Koszty instalacyjne,
Koszty szkole ,
Awarie w produkcji,
Koszty utrzymania stanu.

U yteczno

Zdolno integracyjna,
Przejrzysto ,
Przyjazno

dla

u ytkownika,

Pewno .

Koncepcja

Struktura kosztów w projektach automatyzacji

Sprz t

Engineering

Instalacja

Uruchamianie

10 - 25 %

15 - 50 %

30 - 40%

15 – 25%

Koszty sprz tu maj podrz dne znaczenie,
Budowa instalacji: dominuj koszty prac in ynierskich,
Seryjna budowa maszyn: dominuj koszty instalacji okablowania i

sterownika oraz uruchamiania.

101

R cznie uruchamiany przeł cznik S1

Wył czniki, przeł czniki

Oporno sprz enia zwrotnego R

Oporno ci

Wył cznik główny Q1

Urz dzenia do

wył czania du ych

pr dów

Woltomierz P1, rejestrator P2

Urz dzenia pomiarowe,

urz dzenia kontrolne

Wzmacniacz elektroniczny N1. Regulator pr dko ci N2.

Wzmacniacze,

regulatory

Silnik pr du przemiennego M1

Silniki

Cewka, np. dławika

Indukcyjno ci

K1 – stycznik, K2 – przeka nik czasowy

Przeka niki, styczniki

F1 - lampka sygnalizacyjna
F2 – buczek (sygnał d wi kowy)

Urz dzenia

wska nikowe

G1 – generator pr du stałego
G2 – generator impulsowy

Generatory

F1 – bezpiecznik
F2 – wyzwalacz termiczny przeci enia pr dowego

Urz dzenia ochronne

Np. bariera ochronna maszyny

Ró ne

D1 - pami , D2- człon AND

Elementy binarne

Kondensator gasz cy C na styczniku

Kondensatory

Czujnik B1 (przetwornik) ci nienia P na napi cie U
Przetwornik analogowo-cyfrowy B2
Przekształtnik B3 pr du stałego na przemienny

Czujnik
Przetwornik
Przekształtnik

Wzmacniacz nap du dla robota

Moduł

Przykłady

Rodzaj urz dzenia

Litera oznaczenia

∩

−−−−

G2 G

Oznaczenie elementów i urz dze na schematach elektrycznych

Graficzne sposoby opisu zada sterowania

Czas t

Diagram czasowy

Krok

Narz dzie:

góra

dół

Rozkaz:

podnie

opu ci

Diagram

droga

krok

102

Manipulator z 3 siłownikami

Manipulator z 3 siłownikami:

1.0:

1.0: siłownik poziomy

2.0:

2.0: siłownik pionowy

3.0:

3.0: chwytak

Aktuato

(3)

Y1:

Y1: zawór dla siłownika 1

Y2:

Y2: zawór dla siłownika 2

Y3:

Y3: zawór dla siłownika 3

Sensor

(7)

sygnał startu

nS1:

nS1: wył cznik kra cowy <

siłownik wsuni ty>

nS2:

nS2: wył cznik kra cowy <

siłownik wysuni ty>

3.0

2.0

1.0

3S2

3S1

2S2

2S1

1S2

1S1

Przykład zastosowania diagramu

droga

krok

do opisu sterowania manipulatorem

Realizacja projektu automatyzacji – model kaskadowy

(wodospadowy)

, m

, n

, m

, n

Zarz dzanie projektem

Utrzymanie,

eksploatacja

Instalacja/

odbiór

Specyfikacja wymaga

Integracja /

testowanie

Implementacja

Projektowanie

Analiza

Specyfikacja

Moduł - tekst ródłowy

System programowania

Produkt programowy

103

1. Analiza (wyja nienie sformułowania zadania):

1. Analiza (wyja nienie sformułowania zadania):
• ogólna specyfikacja (opis, yczenia i koncepcje zleceniodawcy) – werbalny opis, schemat

technologiczny,

• specyfikacja wymaga (rozwi zanie, podstawa zlecenia/ zlecenie) – ogólna struktura, tabela

przyporz dkowania, sprz t, rodzaje trybów pracy, rozwój prototypu, walidacja,

2. Projekt:

2. Projekt:
• projekt sprz tu (schemat poł cze , schemat logiczny, ...),
• projekt oprogramowania (ła cuchy przebiegów, SIPN, konfiguracja, …),
• koncepcja obsługi, wizualizacja, dokumentacja, ....

3. Implementacja dotycz ca realizacji:

3. Implementacja dotycz ca realizacji:
• zakup (wykonanie) sprz tu, okablowanie i monta szafy sterowniczej,
• programowanie PLC (ST, IL, LD, ...) i innych urz dze .

4. Integracja i testowanie:

4. Integracja i testowanie:
• opracowanie przypadków do testowania (systematyczny sposób post powania),
• wykonanie testów (bez i z procesem technicznym).

5. Instalacja, uruchomienie i odbiór:

5. Instalacja, uruchomienie i odbiór:
• zestawienie na miejscu, testowanie i odbiór zgodnie ze specyfikacj wymaga ,
• instrukta i szkolenie personelu obsługi i utrzymania ruchu.

6. Utrzymanie stanu i eksploatacja (najdłu sza i najdro sza faza

• usuwanie bł dów, ulepszanie, modernizacja.

Fazy realizacji projektu automatyzacji

Udział kosztów oprogramowania w projektach PLC

Koszty oprogramowania

Dokumentacja

10%

Planowanie,

projektowanie

35%

Programowanie

15%

Testowanie,

uruchamianie

40%

104

Specyfikacja wymaga

jest zestawieniem zawieraj cym sformułowanie zadania

automatyzacji z punktu widzenia opracowuj cego oprogramowanie

automatyzacji z punktu widzenia opracowuj cego oprogramowanie. Zawiera ona

konkretne zadania dotycz ce tego,

co?, jak? i za pomoc jakich rodków?

nale y

wykona :

• musz by w niej uzupełnione brakuj ce dane z ogólnego opisu,
• zawiera opis instalacji/ maszyny jak równie jej poszczególnych jednostek

funkcyjnych,

• pełna lista sensorów- elementów wykonawczych,
• opis sposobu działania programu przy uwzgl dnieniu mo liwo ci programowych i

sprz towych,

• koncepcja obsługi bł dów,
• opis funkcji obsługowych i wy wietlania dotycz cego wizualizacji,
• opis dostarczanej dokumentacji i instrukcji obsługi, jak równie szkole i

wprowadze ,

Opracowanie specyfikacji wymaga odbywa si zwykle w sposób interdyscyplinarny,

tzn. uczestnicz w nim: u ytkownik instalacji (zleceniodawca), personel obsługi,

technolodzy, konstruktorzy maszyny, elektrycy, programi ci PLC.

Specyfikacja wymaga jest podstaw do zawarcia zlecenia oraz odbioru ko cowego

przez zleceniodawc .

Opis zada sterowania

Przed zaprojektowaniem układu sterowania zadania sterowania musz by jednoznacznie opisane

w postaci specyfikacji wymaga :

1. Werbalny opis instalacji wzgl. procesu zawieraj cy np.:
- Co b dzie produkowane?
- Jaki b dzie przebieg?
- Jakie wymagania musz by spełnione (sztuk/godz., czas taktu itp.)?
- Jakie s powi zania z innymi instalacjami?
- Jakie nap dy i z jakimi postaciami energii b d przył czone do układu sterowania?
- Jakie dajniki sygnałów s przewidziane?
- Jaki sposób obsługi jest przewidziany (wy wietlacz, monitor)?
- Jakie s warunki pracy dla układu sterowania (klimat, kurz, zakłócenia elektromagnetyczne,

zagro enia wybuchem, wstrz sy itp.)?

- Jakie ródła energii s do dyspozycji?
- Jak jest okre lona instalacja: budowa seryjna, budowa jednostkowa, własne potrzeby,

sprzeda ?

2. Podane w pkt.1 wymagania nale y w miar mo liwo ci zobrazowa rysunkami.
3. Potrzebne do projektu układu sterowania zasadnicze dane charakterystyczne urz dze

peryferyjnych nale y poda w postaci listy (funkcje, poziomy napi , dane dotycz ce

przył czenia, poziom ochrony). Nale y równie sporz dzi czytelne schematy, z których wynika

współpraca poszczególnych jednostek roboczych i zespołów całej instalacji.

105

Dokumentacja projektu automatyzacji

Dokumentacja jest nie tylko uci liwym papierowym obowi zkiem, ale s z ni zwi zane

istotne wymagania:

• odpowiednie metody dokumentowania s warunkiem certyfikacji wg ISO 9000, na

których opiera si wielu zleceniodawców,

• podatno na zmiany w pó niejszych rozszerzeniach lub ulepszeniach,
• szybkie usuwanie zakłóce i naprawy,
• ochrona producenta w przypadku wyst pienia szkód.

Do dokumentacji z punktu widzenia techniki sterowania nale co

najmniej:

• struktury programów i programy,
• listy przyporz dkowania adresów symbolicznych do bezwzgl dnych (tzw. schematy

okablowania),

• plany obło enia modułów wej ciowych i wyj ciowych,
• opis sygnałów (analogowych, cyfrowych, poziomy napi , …),
• schematy okablowania w szafie sterowniczej,
• opis ogólny, specyfikacja wymaga , uzgodnienia dotycz ce zmian,
• instrukcje obsługi i przepisy bezpiecze stwa.
(Du cze dokumentów mo na uzyska automatycznie z programatora PLC!)

Sposób tworzenia programu dla PLC

Tworzenie programu

Edytor

Dyskietka

lub twardy

dysk

Kompilator

(tworzy kod maszynowy)

W przeciwnym przypadku ł czenie (linkowanie)

poszczególnych modułów w jeden całkowity program

Transmisja

do PLC

PLC

Program do transmisji

danych

FBD

SFC

IL, FBD, SFC do

kompilatora LD

106

Model oprogramowania PLC wg PN-EN 61131

Konfiguracja

Task

Funkcja

Zasoby

(np. sterownik)

Blok funkcyjny

(FB)

Task

Zasoby (np.

sterownik)

Program

Task

Program

Konfiguracja

Zasoby

(

Aplikacja)

Globalne i bezpo rednio

zadeklarowane zmienne

cie ka dost pu

Program (PROG) - moduł funkcyjny (FB) - funkcja (FUN)

Program (PROG)

Program główny.
Wszystkie zmienne

całkowitego programu

musz by tutaj

przyporz dkowane:

• peryferyjnych PLC

(zmienne wej ciowe i

wyj ciowe),

• zmienne globalne,
• cie ki dost pu (por.

konfiguracja).

Moduł funkcyjny (FB)

Moduł ze:
• zmiennymi wej ciowymi,
• zmiennymi wyj ciowymi,
• zmiennymi statycznymi
(„zapami tywanymi”).
Standardowymi modułami

funkcyjnymi s np. liczniki

lub człony czasowe (

Timer).

Moduły funkcyjne s

„wywoływane” przez

utworzenie instancji.

Funkcja (FUN)

Moduł z warto ci funkcji

do rozszerzenia zestawu

operacji PLC:

• zmienne wej ciowe,
• jedna warto funkcji

jako zwracana dana,

• nie ma adnych

zmiennych statycznych,

a zatem i

„zapami tywania”.

107

Funkcja

Podstawowe własno ci:

Podstawowe własno ci:
• funkcje wi

zmienne wej ciowe przez instrukcje w wywołaniu funkcji w pewne jednoznaczne warto ci funkcji

(zwracane warto ci),

• funkcje nie maj adnego zapami tywania, tzn. niezale nie od tego kiedy lub jak cz sto s wywoływane, to

dostarczaj one stale jednakowych warto ci zwracanych przy tych samych zmiennych wej ciowych.

Lokalne zmienne „umieraj “ po opuszczeniu funkcji.
Cel stosowania funkcji:
• realizacja specyficznych dla producenta lub wykonuj cego aplikacj rozszerze listy operacji PLC. Zdefiniowane

w normie funkcje s nazywane funkcjami standardowymi.

Przykład:

Przykład:
• standardowe funkcje do przekształcania typu:
REAL_TO_UINT – przekształca warto rzeczywist (

Real) w warto całkowit bez znaku (Integer).

Integracja w KOP/FBS:

EN =

Enable In – funkcja powinna by wykonana

ENO

ENO =

Enable Out – najcz ciej: funkcja jest wykonana i/lub jest bezbł dnie wykonana

(nale y uwzgl dni opis funkcji producenta PLC!)

Wykona

VarIn

MojaFunkcja

ZadenBlad

OFF

VarOut

Zmienne i typy danych wg standardu PN-EN 61131

Zmienne

Zmienne
Niezale nie od j zyka programowania obiekt programu (

Program Objekt) składa si zawsze z

cz ci

deklaracyjnej

deklaracyjnej i

cz ci programowej

cz ci programowej. Przyporz dkowanie adresów sprz towych odbywa si w cz ci

deklaracyjnej. Aby jednej zmiennej przyporz dkowa jeden adres sprz towy w nazwach zmiennych

wyst puje słowo kluczowe AT i znak %, który wprowadza przyporz dkowanie adresu. Nast pnie jest

okre lane to, czy chodzi o

wyj cie

wyj cie,

wej cie

wej cie czy

merker

merker. Cecha jest rozumiana nast puj co:

Cecha

Znaczenie

Wej cie

Wyj cie

Merker

Poj cie

merker’a jako zmiennej globalnej zostało w ni ej podanej normie wprowadzone po to, aby

ułatwi przej cie z dotychczasowego sposobu programowania PLC na nowy. Wła ciwie

merker’y nie

s ju dalej potrzebne.

Cecha

Długo zmiennej

bit

bez

bit

bajt (8 bitów)

słowo (16 bitów)

podwójne słowo (32 bity)

długie słowo (64 bity)

Typy danych

108

Stan wyst puj cy po lewej stronie jest przenoszony na praw stron na jeden cykl programu w

momencie przej cia zmiennej ze stanu "ON" na "OFF". W ka dym innym przypadku stan z

prawej strony równy jest "OFF".

Boolean

--|N|--

Stan wyst puj cy po lewej stronie jest przenoszony na praw stron na jeden cykl programu w

momencie przej cia zmiennej ze stanu "OFF" na "ON". W ka dym innym przypadku stan z

prawej strony równy jest "OFF".

Boolean

--|P|--

Stan wyst puj cy po lewej stronie jest przenoszony na praw stron w momencie wyst powania

w przypisanej zmiennej stanu "OFF" lub "0". W ka dym innym przypadku stan z prawej strony

równy jest "OFF”.

Boolean

--|/|--

Stan wyst puj cy po lewej stronie jest przenoszony na praw stron w momencie wyst powania

w przypisanej zmiennej stanu "ON" lub "1". W ka dym innym przypadku stan z prawej strony

równy jest "OFF”.

Boolean

--| |--

Opis

Typ zmiennej

Symbol

Styki

Opis

Typ zmiennej

Symbol

W przypadku wyst pienia stanu "ON" po lewej stronie zmienna jest resetowana do stanu "OFF".

Boolean

--(R)--

Stan wyst puj cy po lewej stronie jest kopiowany "zatrzaskowo" do przypisanej zmiennej.

Powrót zmiennej do stanu "OFF" mo liwy jest tylko przy u yciu cewki RESET.

Boolean

--(S)--

Do zmiennej jest przepisywany "ON" tylko na jeden cykl programu po zmianie stanu z lewej

strony z "ON" na "OF” tzw. zbocze opadaj ce.

Boolean

--(N)--

Do zmiennej jest przepisywany "ON" tylko na jeden cykl programu po zmianie stanu z lewej

strony z "OFF" na "ON" tzw. zbocze narastaj ce.

Boolean

--(P)--

Stan wyst puj cy po lewej stronie jest kopiowany do przypisanej zmiennej w taki sposób , e dla

stanu "ON" z lewej strony do zmiennej przepisywany jest stan "OFF" i na odwrót.

Boolean

-(/)--

Stan wyst puj cy po lewej stronie jest kopiowany do przypisanej zmiennej i na praw stron

Boolean

--( )--

Cewki

Programowanie PLC - symbole schematu

drabinkowego LD zgodnie z norm PN-EN 61131-3

W cz ci instrukcyjnej programu PLC dla wszystkich j zyków wspólna jest

organizacja poszczególnych jednostek modułów programu i zastosowanie

aktualnego wyniku (

AW). Aktualny wynik jest porównywalny z akumulatorem

systemu mikrokomputerowego i odpowiada wynikowi po redniemu.
W tabeli pokazano przykład sposobu działania aktualnego wyniku (AW) dla

programu w li cie instrukcji.

AW = 0 OR

= 1 daje AW = 1

Zapami tanie AW jako

zmiennej

AW = 0 AND

= 1 daje AW = 0

AND

Ładowanie

do AW ? AW = 0

Aktualny

wynik

(AW)

Kod

programu

Przykład zastosowania aktualnego wyniku (AW)

podczas wykonywania programu PLC

109

Przykład sterowania pomp za pomoc PLC

Pompa jest zał czana przyciskiem „

ZAL

” i pracuje tak długo dopóki poziom oleju jest wy szy od

minimalnego i nie zostanie naci ni ty przycisk „

WYL

”. Je eli poziom oleju jest ni szy od

minimalnego, to zapalana jest lampka kontrolna

– przycisk „

ZAL

”

– przycisk „

WYL

”

– czujnik poziomu oleju

– stycznik silnika M

– lampka kontrolna

L1, L2, L3

– zasilanie elektryczne

Sterowanie stykowe

Obwód pr dowy

Zasilanie pr dowe

24V

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6
0.7

Przył czenie PLC

deklaracyjna

deklaracyjna dla wszystkich

j zyków programowania PLC jest

jednakowa i dla przykładu sterowania

pomp jest nast puj ca:

VAR

ZAL AT %IX0.0:BOOL;
WYL AT %IX0.1:BOOL;
POZIOM_OLEJU AT %IX0.2:BOOL;
POMPA_ZAL AT %QX0.0:BOOL;
LAMPKA AT %QX0.1:BOOL;

END_VAR

Natomiast program PLC

w schemacie drabinkowym LD

w schemacie drabinkowym LD ma posta :

Siec 1: sterowanie silnikiem pompy

ZAL

WYL

POZIOM_OLEJU

POMPA_ZAL

Siec 2: lampka kontrolna poziomu oleju

POZIOM_OLEJU

LAMPKA

Program PLC sterowania pomp w j zyku LD

instrukcyjna programu PLC

w j zyku

IL dla

przykładu sterowania pomp jest nast puj ca:

(*Siec 1: sterowanie silnikiem pompy*)
LD ZAL
OR POMPA_ZAL
AND POZIOM_OLEJU
ANDN WYL
ST POMPA_ZAL
(*Siec 2: lampka kontrolna poziomu oleju*)
LDN POZIOM_OLEJU
ST LAMPKA

110

Przy tworzeniu schematu drabinkowego LD nale y uwzgl dni poł czenia ze sterownikiem PLC:

przycisk

S1 (ZAL) jest wykonany jako

styk zwierny

styk zwierny, tzn. w stanie nie pobudzonym na wej cie

I 0.0

PLC podawany jest sygnał „

0”. Przycisk

S2 (WYL) i czujnik poziomu oleju

S3 s natomiast

wykonane jako

styki

rozwierne

rozwierne, tzn. w stanie nie pobudzonym na wej cia

I 0.1

I 0.1 i

I 0.2

I 0.2 podawane s

sygnały „

0”. Sterownik PLC ocenia tylko stany sygnałów na swoich wej ciach.

Dla podanego przykładu sterowania pompy (Sie 1) oznacza to, e pompa powinna tak długo

pracowa , a nie zostanie pobudzony przycisk S2 (WYL), albo te poziom oleju nie b dzie ni szy

od minimalnego (pobudzenie czujnika S3). Sterownik PLC nie jest w stanie rozpozna tego, czy

na jego wej cie jest przył czony zestyk zwierny czy te rozwierny, gdy rozpoznaje on tylko

stany sygnałów („1” lub „0”). Dlatego te programista podczas tworzenia programu musi

uwzgl dni to, czy chodzi o zestyk zwierny czy tez rozwierny. Sygnał wej ciowy do PLC mo na

przy tym traktowa jako wł czenie „wirtualnego” wewn trznego przeka nika, który wprowadza

„styk” z nazw na wej cie PLC. Podobnie jest z wyj ciami i merkerami. Działanie styków w p tli

pr dowej schematu drabinkowego PLC zale y zatem od rodzaju sygnału wej ciowego.

„1”

Nie pobudzony

Zestyk rozwierny

„0”

Pobudzony

Zestyk rozwierny

„0”

Nie pobudzony

Zestyk zwierny

„1”

Pobudzony

Zestyk zwierny

Stan sygnału na wej ciu

PLC

Stan

dajnika

Dajnik

sygnału na wej ciu

PLC

Stany sygnałów na wej ciach PLC po pobudzeniu dajników

Lista instrukcji IL

Lista instrukcji IL jest maszynowym j zykiem programowania sterowników

PLC porównywalnym z Assemblerem. Lista instrukcji jest ci giem instrukcji,

przy czym ka da z tych instrukcji musi by umieszczona w oddzielnym

wierszu. Instrukcja ma nast puj c struktur :

Komentarz

Operand

Operator

Etykieta

W kolumnie „Etykieta” s umieszczane adresy skoków, których operator

odpowiada instrukcji. Za pomoc operandów deklarowany jest rodzaj

zmiennych (wej cie, wyj cie, zmienna lokalna). Komentarze s umieszczane

w ograniczeniach składaj cych si z nawiasu/gwiazdki (* ... *). Nie musz

wyst powa wszystkie elementy instrukcji.

(*Komentarze mog byc takze

umieszczane oddzielnie*)

VAR_1

(*Cechy sa opcjonalne,

komentarze rowniez*)

VAR_1

(*Ladowanie zmiennej VAR_1*)

VAR_1

KONIEC:

Komentarz

Operand

Operator

Etykieta

Programowanie PLC w li cie instrukcji IL

111

Powrót z funkcji

RET C, N

Wywołanie modułu

CAL C, N Etykieta

Skok do etykiety

JMP C, N Etykieta

Zamkni cie poziomu nawiasu

)

AW mniejszy ni operand

LT, LT(

AW mniejszy równy ni operand

LE, LE(

AW nierówny operandowi

NE, NE(

AW równy operandowi

EQ, EQ(

AW wi kszy równy od operandu

GE, GE(

AW wi kszy ni operand

GT, GT(

Dzieli AW przez operand

DIV, DIV(

Mno y operand przez AW

MUL, MUL(

Odejmuje operand od AW

SUB, SUB(

Dodaje operand do AW

ADD, ADD(

Zapami tuje AW jako operand

Ładuje operand jako „aktualny wynik” (AW)

Obja nienie

Operatory, modyfikatory

Obja nienie modyfikatorów:
N - negacja operandu,
C - operacja jest wykonywana tylko dla AW = „1”,
AW - aktualny wynik.

Operatory listy instrukcji IL (wybór)

Zamyka poziom nawiasu

)

Ustawia operand na FALSE (nieprawda) je eli AW = 1

Ustawia operand na TRUE (prawd ) je eli AW = 1

Zapami tuje AW (zanegowany) w operandzie

ST, STN

Działanie exclusiv LUB (zanegowanego) operandu z

XOR, XORN, XOR(, XORN(

Działanie LUB (zanegowanego) operandu z AW

OR, ORN, OR(, ORN(

Działanie I (zanegowanego) operandu na AW

AND, ANDN, AND(, ANDN(

Ładuje operand (zanegowany) jako AW

LD, LDN

Obja nienie

Operatory

Operatory z operandami dla danych typu BOOL

(operacje logiczne)

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
ZIP 2012 Podst automat cz 1
ZIP 2012 Podst automat cz3
ZIP 2012 Podst automat cz4
ZADANIA Z KOLOKWIUM Z PODST automatyki A[1]. Kochan, Semestr IV, Wspólne, Podstawy automatyki
syll 2. admin.publ. zao 2011 2012 podst pr pr i pr urzedn, WAŻNE
Podstawy automatyki cz2 K Rumanowski
2012 10 21 cz2
2012 podst edytor dla stud z
ZIP 2013 progr Automatyzacja i roboty, SGGW Technika Rolnicza i Leśna, Automatyka
plan zajec oiur zip 2012 02
2012 10 21 cz2
Cwalina markpol 2012 13 dzien cz2

więcej podobnych podstron