Projekt "Modernizacja oferty kształcenia zawodowego w powiązaniu z potrzebami lokalnego/ regionalnego

rynku pracy" współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu

Społecznego.

Prezentacja na temat:

Budowa i zasada działania programowalnych sterowników PLC

Zdjęcie skopiowano ze strony producenta Simens

Przedmiot: Sterowniki PLC

Projekt "Modernizacja oferty kształcenia zawodowego w powiązaniu z potrzebami lokalnego/ regionalnego

rynku pracy" współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu

Społecznego.

strona: 2 z 11

1. Budowa i zasada działania sterownika programowalnego PLC

Sterownik programowany PLC ( Programmable Logic Controller) jest programowalnym

komputerem o budowie podobnej do standartowych komputerów osobistych.

Składa się z zasilacza (układu niskonapięciowego), modułu sygnałów wejściowych, jednostki

centralnej z mikroprocesorem, pamięci programu oraz modułu sygnały wyjściowego.

Inaczej niż w układach stałoprogramowych, w których przebieg sterowania jest określony przez

wykorzystanie elementów i ich wzajemne połączenie, w sterowniku programowalnym przebieg ten jest

zapamiętywany w pamięci sterownika w postaci programu.

Rysunek 1.

Schemat budowy sterownika PLC

Sterownik programowalny jest wykorzystywany jako centralna część, przetwarzająca układu

sterowania. Sterownik programowalny czyta wejścia, wypisuje stany na wyjściach i wykonuje logikę w

oparciu o program sterujący

Rysunek 2.

Przykład podłączenia sterownika PLC

Schemat zeskanowany z książki Mechatronika –
D.Schmid i współautorzy.

.

Projekt "Modernizacja oferty kształcenia zawodowego w powiązaniu z potrzebami lokalnego/ regionalnego

rynku pracy" współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu

Społecznego.

strona: 3 z 11

W układach o niewielkim stopniu przetwarzania, odpowiadającym maksymalnie 100 DI/DO,

(DI – Discrete Input = wejścia dyskretne dwustanowe, DO – Discrete Output – wyjścia dyskretne

dwustanowe) wykorzystuje się tzw. małe, kompaktowe sterowniki, nazywane także

mikrosterownikami.

Rysunek 3.

Mikrosterownik PLC

Schemat zeskanowany z książki Mechatronika – D.Schmid i współautorzy.

W przypadku złożonych zadań sterowania – sterowniki nazywamy średnimi (100 – 500 DI/DO) lub

dużymi (500 – 3000 DI/DO) o budowie modułowej.

Do obsługi poszczególnych jednostek produkcyjnych wykorzystuje się często sterowniki lokalne,

,,podrzędne’’ (Slave - sługa), połączone przy pomocy sieci ze sterownikiem ,,nadrzędnym’’ (Master -

pan), np. PROFIBUS – DP. Do magistrali (BUS – zbiorcza szyna, magistrala dla wymiany danych)

może być podłączonych wiele urządzeń (elementów sieci), jak np. sterowniki, stacje operatorskie i

panele operatorskie.

Rysunek 4.

Sterowniki w sieci

Schemat zeskanowany z książki Mechatronika – D.Schmid i współautorzy.

Projekt "Modernizacja oferty kształcenia zawodowego w powiązaniu z potrzebami lokalnego/ regionalnego

rynku pracy" współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu

Społecznego.

strona: 4 z 11

Sterowniki i urządzenia mogą być także podłączone do innych sieci, np. AS – I (Actuator Sensor

Interface), pozwalające na bezpośrednią współpracę z urządzeniami pomiarowymi i wykonawczymi w

systemie rozproszonego przetwarzania danych.

Sterownik programowalny PLC może być także zintegrowany z innym układem sterowania

cyfrowego (mikroprocesorowego), np. z komputerowym sterownikiem numerycznym CNC (Komputer

Numerical Control).

Rysunek 5.

Zintegrowane sterowniki programowalne

Schemat zeskanowany z książki Mechatronika – D.Schmid i współautorzy.

W takim przypadku sterownik programowalny będzie uaktywniany przez program sterownika CNC.

Jeżeli potrzebne są tylko wybrane funkcje sterownika programowalnego, to najczęściej integruje się

tylko odpowiednie moduły oprogramowania z systemem operacyjnym sterownika CNC. Coraz

częściej, wraz z wykorzystaniem komputerów PC do programowania sterowników i do sporządzania

dokumentacji programu oraz z wprowadzeniem rozwiązań sprzętowych i programowych stosowanych

w komputerowych systemach sterowania, wykorzystuje się komputery przemysłowe do realizacji

zadań sterownika programowalnego.

Rysunek 6.

Komputer przemysłowy

Schemat zeskanowany z książki Mechatronika –
D.Schmid i współautorzy.

Projekt "Modernizacja oferty kształcenia zawodowego w powiązaniu z potrzebami lokalnego/ regionalnego

rynku pracy" współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu

Społecznego.

strona: 5 z 11

W typ przypadku możliwe jest bądź wykorzystanie komputera przemysłowego z oprogramowaniem

PLC bądź wykorzystanie w komputerze kart rozszerzeń typu PLC.

Podsumowując:

Sterowniki programowalne PLC spotyka się w postaci:



kompaktowej



modułowej



połączonej za pomocą sieci LAN



zintegrowanej z innymi sterownikami



w postaci komputera przemysłowego

Obecnie najczęściej wykorzystuje się sterowniki PLC o budowie modułowej. Centralną grupę

modułów sterownika tworzą: zasilacz, moduł jednostki centralnej CPU (Central Processing Unit –

centralna jednostka przetwarzająca), oraz przynajmniej jeden moduł wejść dyskretnych i jeden moduł

wyjść dyskretnych.

Rysunek 7.

Sterownik programowy o budowie modułowej.

Schemat zeskanowany z książki Mechatronika – D.Schmid i współautorzy.

Projekt "Modernizacja oferty kształcenia zawodowego w powiązaniu z potrzebami lokalnego/ regionalnego

rynku pracy" współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu

Społecznego.

strona: 6 z 11

Moduł jednostki centralnej CPU należy podłączyć do źródła napięcia, przeważnie jest to 24 V DC

Aby nie powodować utraty zapamiętanych danych podczas awarii zasilania, podtrzymuje się zasilanie

modułu za pomocą baterii lub akumulatorów.

Rysunek 8.

Przykładowa płyta czołowa sterownika PLC.

Schemat zeskanowany z książki Mechatronika – D.Schmid i współautorzy.

Jeżeli przełącznik rodzaju pracy jest w pozycji STOP (w nowych rozwiązaniach brak jest stacyjki),

programy aplikacyjne mogą zostać przesłane do jednostki CPU. Wymianę danych pomiędzy stacją

operatorską i modułem CPU zapewnia zwykle interfejs komunikacyjny typu MPI (Multi Point

Interface). Pozycja MRES (Memory Reset) przełącznika modułu odpowiada kasowaniu pamięci CPU,

pozycja RUN – przetwarzanie programu aplikacyjnego, pozycja RUN – P – przetwarzanie z

możliwością ustawienia wartości zmiennych.

Przez interfejs magistrali PROFIBUS – DP moduł CPU komunikuje się z innymi modułami –

moduły są nazwane peryferiami.

Wskaźniki systemowe informują o aktualnym stanie pracy modułu CPU. Przy wskazaniu SF lub SF

PD dokładne informacje o rodzaju popełnionego błędu mogą być pobierane z modułu kontrolera.

Jednostka centralna zawiera mikroprocesor oraz różne obszary pamięci – obszar danych, roboczy i

systemowy, połączone z sobą wewnętrzną magistralą danych sterownika.

Projekt "Modernizacja oferty kształcenia zawodowego w powiązaniu z potrzebami lokalnego/ regionalnego

rynku pracy" współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu

Społecznego.

strona: 7 z 11

W pamięci danych sterownika przechowywane są dane i instrukcje programu użytkownika. Pamięć

ta jest albo typu RAM (Random Access Memory – pamięć ze swobodnym dostępem), albo EPROM

(Erasable Programmable Read Only Memory – elektrycznie programowalna i kasowalna pamięć

ROM) – może być rozszerzona za pomocą dodatkowych kart lub modułów pamięci. W przypadku

karty wyposażonej w pamięć EPROM, program użytkownika może być do niej załadowany w trybie off

– line, co zabezpiecza go przed utratą podczas awarii zasilania.

Rysunek 9.

Budowa wewnętrzna sterownika.

Schemat zeskanowany z książki Mechatronika – D.Schmid i współautorzy.

Pamięć robocza jest szybką pamięcią typu RAM. Kopiowane są do niej dane w trakcie

przetwarzania programu użytkownika. Pamięć systemowa zawiera zmienne, nazywane także

operandami, na których wykonywane są operacje programu. Zmienne te zbierane są w wydzielone

obszary, nazywane obszarami operandów. Wielkość tych obszarów zależy od zastosowanego CPU.

Operandy CPU:



zmienne wejściowe, wejścia ( I – Input) – dostarczane jak argumenty przetwarzania

programowego przez moduły wejściowe,



zmienne wyjściowe, wyjścia (Q – quit – odpuszczać) – argument użyte w celu zwrócenia

wyniku przetwarzania przez moduły wyjściowe,



zmienne markujące, markery (M – Marker – człowiek notujący zapisy w grze) – zmienne

wewnętrzne informujące o stanie przetwarzania,



zmienne czasowe (T – timer) – generowane przez bloki funkcyjne wykorzystywane do

realizacji uwarunkowań czasowych lub odmierzania czasu,



zmienne licznikowe (C – Counter) – przetwarzane przez bloki funkcyjne realizujące

programowo liczenie dodające i odejmujące,

Projekt "Modernizacja oferty kształcenia zawodowego w powiązaniu z potrzebami lokalnego/ regionalnego

rynku pracy" współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu

Społecznego.

strona: 8 z 11

W stanie załączenia RUN program użytkownika jest cyklicznie przetwarzany.

Rysunek 10.

Przetwarzanie programu użytkownika.

Schemat zeskanowany z książki Mechatronika – D.Schmid i współautorzy.

Najpierw odczytywany jest z pamięci systemowej stan zmiennych wejściowych. Potem następuje,

odpowiednio do programu użytkownika, właściwe przetwarzanie. Wynikiem przetwarzania

programowego jest nowy stan zmiennych wyjściowych zapamiętywany w pamięci systemowej i

podany odpowiednio na wyjścia sterownika. Kolejno następuje aktualizacja stanów zmiennych

wejściowych, przetworzenie, zwrócenie wyniku itp. Czas takiego pojedynczego przebiegu nazywamy

czasem cyklu. Zależy on także od prędkości przetwarzania wykorzystywanego CPU. Przeważnie

wynosi kilka milisekund.

Projekt "Modernizacja oferty kształcenia zawodowego w powiązaniu z potrzebami lokalnego/ regionalnego

rynku pracy" współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu

Społecznego.

strona: 9 z 11

Część wejściowa sterownika – podzielona jest na moduły obejmujące przeważnie 8,16, lub 32

wejść binarnych

Rysunek 11.

Schemat podłączeń wejść.

Schemat zeskanowany z książki Mechatronika – D.Schmid i współautorzy.

Moduł wejściowy zawiera układy elektroniczne zamieniające sygnały pochodzące z urządzeń

zewnętrznych na sygnały logiczne akceptowane przez sterownik. Mogą to bytć np. dzielniki napięć z

dodatkowymi filtrami RC dla tłumienia zakłóceń. Moduły wejść prądu stałego wyposażone są

dodatkowo w diody chroniące właściwą polaryzacją (najczęściej dodatnią, nazywane także ,,ze

wspólnym plusem’’), a moduły wejść prądu przemiennego – w mostkowe układy prostownicze. Dla

izolacji potencjałowej obwodów wejściowych i magistrali sterownika stosowane są podłączenia

optyczne – optoizolacje (fotodiody jako nadajniki i fotorezystor jako odbiornik w jednym elemencie,

tzw. Optoizolator). Stan szczególnych bitów bufora danych modułu wejściowego sygnalizowany jest

diodami typu LED – pozwala to na szybką identyfikację stanu wejść w trakcie uruchomienia

sterownika lub w trakcie poszukiwania błędów. Multiplekser (rozdzielacz) stosowany jest przez

dekoder adresów.

Projekt "Modernizacja oferty kształcenia zawodowego w powiązaniu z potrzebami lokalnego/ regionalnego

rynku pracy" współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu

Społecznego.

strona: 10 z 11

Część wyjściowa sterownika – podzielona jest również na moduły obejmujące 8 lub 16 wyjść

binarnych.

Rysunek 12.

Schemat podłączeń wyjść.

Schemat zeskanowany z książki Mechatronika – D.Schmid i współautorzy.

Moduł wyjściowy zawiera układy wzmacniające, np. łącznik tranzystorowy dla obwodów

wyjściowych prądu stałego (np. 24V DC, 200mA) lub łącznik triakowy (elektroniczny łącznik prądu

przemiennego) dla bezpośredniego wysterowania obwodów wyjściowych z obciążeniami prądowymi,

indukcyjnymi i pojemnościowymi (np. 50Hz, 230V AC).

W przypadku zakłócenia przetwarzania programu użytkownika, moduły wyjściowe po zakończeniu

danego cyklu przetwarzania przerywają sterowanie dołączonymi obwodami wyjściowymi z

urządzeniami wyjściowymi z urządzeniami wykonawczymi procesu – zapobiega to niebezpiecznym

skutkom awarii. Stan poszczególnych wyjść modułu określa demultiplekser sterowany przez CPU

sterownika. W dekoderze adresów zostaje odkorowany adres wybranego przez mikroprocesor wyjścia

i odpowiednia wartość binarna przesyłana z magistrali danych przez demultiplekser do układów

wyjściowych modułów.

Projekt "Modernizacja oferty kształcenia zawodowego w powiązaniu z potrzebami lokalnego/ regionalnego

rynku pracy" współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu

Społecznego.

strona: 11 z 11

Pytania sprawdzające wiedzę:

Czym charakteryzuje się sterowanie programowe?

Co to jest i do czego służy sterownik przemysłowy PLC ?

Z jakich bloków składa się sterownik PLC ?

Jak dzielimy sterowniki PLC ?

Jakie rodzaje operandów występują w sterownikach ?

Narysuj przykład podłączenia sterownika PLC ?

Jak przetwarzany jest program w sterowniku PLC ?