*Nagoya Works
Mitsubishi Electric ADVANCE Juli 2008
1
RAPORTY TECHNICZNE
System serii MELSEC
do sterowania procesem
Autor: Yuji Ichioka*
1. Wprowadzenie
Około 30 lat temu pierwsze rozproszone systemy
sterowania (DCS) zostały zastosowane do
automatyzacji procesów przemysłowych i większość
z nich wymaga już modernizacji. Od klientów
zainteresowanych wymianą lub zakupem nowych
systemów otrzymujemy coraz więcej pilnych zapytań,
dotyczących zminimalizowania wymiarów i obniżenie
kosztów. W odpowiedzi na to opracowaliśmy nowe
produkty i wzbogaciliśmy ich możliwości o funkcje
sterowania procesem, wykorzystując w tym celu
platformę sterowników PLC ogólnego przeznaczenia
serii MELSEC-Q.
2. Kluczowe produkty systemu
automatycznego sterowania procesem
serii MELSEC
Zrealizowanie kompletnego systemu sterowania
procesem, opartego na sterownikach programowalnych,
wymagało z naszej strony zaprojektowania
następujących produktów: jednostki centralnej do
sterowania procesem, analogowych modułów
z izolowanymi kanałami, narzędzia do programowania
i
monitorowania PX Developer oraz systemów
redundantnych.
Cechy tych produktów zostały poniżej opisane.
3. Jednostka centralna do sterowania
procesem
Konstrukcja modułu jednostki centralnej do
sterowania procesem opiera się na wysoko wydajnej
jednostce centralnej sterownika programowalnego serii
MELSEC-Q, którą wyposażono w 52 specjalne
instrukcje do sterowania procesem. Niektóre z nich to:
podstawowy regulator PID (sterowanie proporcjonalne,
całkujące, różniczkujące), regulator PID o dwóch
stopniach swobody, prosta pętla regulacji PI,
wykrywanie alarmów, auto-tuning i różne funkcje
korekcji. W konsekwencji procesor centralny może
pracować w trybie sterowania sekwencyjnego
i jednocześnie obsługiwać pętle regulacji procesem.
Może również wykonywać pętle regulacji PID
z prędkością 400 µs/pętlę, co pozwala na osiągnięcie
czasu cyklu regulacji 10 ms.
4. Analogowe moduły z izolowanymi
kanałami
W systemach sterowania procesem, na przykład
w układach regulacji temperatury lub przepływu, bardzo
często stosowane są moduły analogowe. W stosunku
do obwodów czujników elektrycznych (przepływomierzy,
czujników ciśnienia) i elementów wykonawczych
(zaworów itp.) stawiane jest wymaganie, aby usterka
jednego z kanałów nie wpływała na pozostałe. Także
pojawiająca się między kanałami różnica potencjałów,
nie może zakłócać wyników pomiarów. Aby
w systemach sterowania procesem serii MELSEC
spełnić te wymagania, zaprojektowaliśmy analogowe
moduły z izolowanymi kanałami.
Analogowe moduły z izolowanymi kanałami mają
wbudowane funkcje, użyteczne w systemach
sterowania procesem, jak filtrowanie wejściowych
AnACPU
rok 1990
W standardzie
wbudowane podstawowe
instrukcje PID.
QnACPU
rok 1995
y
Systemy redundantne: CPU,
zasilacz i sieć komunikacyjna
y
Udoskonalone działanie
systemu
y
Udoskonalona wersja
wbudowanych instrukcji
PID w AnACPU
Qn(H)CPU
rok 1999
y
Miniaturyzacja
y
Udoskonalone działanie systemu
y
Udoskonalona wersja wbudowanych
instrukcji PID w CPU QnACPU
y
Duży wzrost
dostępnych instrukcji
sterowania procesem
(w sumie 47 instrukcji)
y
Wprowadzenie
systemu z redundancją.
Q4ARCPU
rok 1996
CPU procesu,
QnPHCPU
rok 2002
y
Udoskonalona wersja procesora
Q4ARCPU – wbudowane instrukcje
sterowania procesem (w sumie 52
instrukcje).
y
Wymiana modułu bez wyłączania zasilania
Redundantny procesor
CPU QnPRHCPU,
kompatybilny z systemem
odległych we/wy
rok 2004
Redundantny procesor
CPU QnPRHCPU,
kompatybilny z
bezpośrednio
sterowanym systemem
we/wy
F
u
nk
cj
a s
te
row
ani
a pr
oc
es
em
Lata
Rys. 1
Kolejne etapy podnoszenia funkcjonalności sterowania procesem
Mitsubishi Electric ADVANCE Juli 2008
2
R
APORTY TECHNICZNE
sygnałów analogowych (filtr pierwszego rzędu
i uśrednianie), wykrywanie przerwy w połączeniach
elektrycznych, detekcję alarmu górnego/dolnego
ograniczenia sygnału wyjścia, podtrzymanie lub
zerowanie sygnału wyjścia w przypadku alarmu CPU,
wykrywanie alarmu procesu i zbyt szybkiej zmiany
sygnału.
5. Narzędzia programistyczne pakietu
PX Developer
Do programowania sterowników programowalnych
używa się zwykle języka drabinkowego LD. Jednak do
programowania algorytmów ciągłego przetwarzania
zmiennych analogowych, jak na przykład pętli regulacji,
program drabinkowy nie jest zbyt wygodny. Aby ułatwić
użytkownikom konfigurację
pętli regulacji,
w programowaniu systemów sterowania procesem serii
MELSEC używa się języka diagramu bloków
funkcyjnych (FBD), zgodnego z wymaganiami normy
IEC 61131-3. Aby jeszcze bardziej uprościć
programowanie, w składnię języka wbudowano tryb
programowania za pomocą tagów, które są szeroko
używane w środowiskach programowania systemów
sterowania procesem.
Dostępne są także różne, ułatwiające
programowanie bloki funkcyjne (FB), włączając
wbudowany w procesor specjalny blok, zawierający
dedykowane instrukcje sterowania procesem oraz
moduł funkcyjny do obsługi zewnętrznych cyfrowych
i analogowych sygnałów wejść i wyjść. Programowanie
skomplikowanych algorytmów sterowania procesem,
porównywalnych do tradycyjnych rozproszonych
systemów sterowania DCS (Ilustracja 2) polega na
prostym przeciąganiu i rozmieszczaniu bloków
funkcyjnych w pole programu, wykonaniu połączeń
między blokami i ustawieniu wartości parametrów.
6. Narzędzia monitorowania pakietu
PX Developer
Dla ułatwienia ustawienia parametrów pętli
regulacji poprzez porównanie ich wartości
z odpowiedzią systemu sterowania procesem (na
przykład współczynnika proporcjonalności, stałej
całkowania, stałej różniczkowania pętli PID),
środowisko programowania PX Developer zostało
wyposażone w narzędzia monitorowania procesu.
Narzędzia monitorowania mają wbudowane
standardowe ekrany (ekrany menu, ekrany
wprowadzania nastaw parametrów regulacji, panele
sterowania, wykresy, listy alarmów i listy zdarzeń),
które są często używane do sterowania maszyn
i monitorowania parametrów procesu. Wykorzystując te
narzędzia podczas uruchamiania systemu, użytkownik
może natychmiast rozpocząć strojenie pętli regulacji.
7. Konfiguracja redundantnego systemu
serii MELSEC-Q
Gdy wymagana jest ciągła praca systemu
sterowania procesem nawet w przypadku awarii,
użytkownicy często żądają redundancji kluczowych
elementów systemu. W odpowiedzi na to
opracowaliśmy redundantny system serii Melsec do
sterowania procesem.
Redundantny system serii MELSEC-Q jest
skonfigurowany w taki sposób, że moduły procesorów
centralnych (redundantne CPU), moduły zasilaczy
i moduły komunikacyjne, pracują w dwóch niezależnych
płytach bazowych, przy czym dwa moduły CPU
połączone są kablem do synchronizacji danych. System
we/wy może być skonfigurowany jako centralny lub
rozproszony. W przypadku rozproszonej konfiguracji
we/wy można zastosować architekturę sieci
MELSECNET/H lub sieć CC-Link. Natomiast centralny
system we/wy umieszczonych na specjalnej płycie
bazowej, podłączany jest przez wewnętrzną magistralę
(1) Przeciągnij i upuść
(2) Połączenia
(3) Ustawianie parametrów
Rys. 2
Przykład obsługi pakietu oprogramowania PX Developer
Mitsubishi Electric ADVANCE Juli 2008
3
RAPORTY TECHNICZNE
danych bezpośrednio do dwóch redundantnych
modułów CPU, zapewniając w ten sposób krótki czas
reakcji systemu (Rys. 3).
Redundantne moduły CPU są skonfigurowane do
pracy w trybie hot-standby. Jeden z dwóch modułów
CPU jest aktywny, natomiast drugi pozostaje
w gotowości (system rezerwowy). Jeśli z powodu awarii
procesora centralnego, zasilacza lub modułu
komunikacyjnego, system sterujący nie może
kontynuować pracy, sterowanie jest automatycznie
przekazywane do systemu rezerwowego, który
przejmuje sterowanie pracą całego systemu. Aby
podtrzymać gotowość do przełączenia systemu, dwa
moduły CPU cały czas wymieniają dane. Przesyłanie
danych w procesie śledzenia danych osiąga prędkość
100K słów w czasie 22 ms, co pozwala na sterowanie
szybkimi i rozbudowanymi procesami.
Rozwijamy elementy systemów do sterowania
procesem serii Melsec, aby w oparciu o sterowniki
programowalne można było realizować zaawansowane
systemy sterowania procesem. Wykorzystując naszą
specjalistyczną wiedzę oraz zebrane przez lata
doświadczenia w integrowaniu systemów automatyki,
dążymy do poprawy funkcjonalności i wydajności,
a także pragniemy dostarczać „łatwe w użyciu”
produkty systemów sterowania procesem.
Sieć MELSECNET/H rozproszonych we/wy
Kabel synchronizacji
Kabel rozszerzający
Ethernet
Ethernet
Hub
Komputer PC do
monitorowania i obsługi
Odległa stacja we/wy
Redundanty
moduł CPU
systemu
sterowania
Redundantny
moduł CPU
systemu
rezerwowego
Komputer PC do
monitorowania i obsługi
Redundantny
moduł CPU
systemu
sterowania
Redundantny
moduł CPU
systemu
rezerwowego
Odległa stacja we/wy
Zasilacz
redundantny
Zasilacz
redundantny
Zasilacz
redundantny
Rozszerzająca pł yta
bazowa do
redundantnych
moduł ów CPU i
zasilacza
Rys. 3
System z redundantnymi procesorami CPU, zasilaczami i modułami komunikacyjnymi