WYDZIAA
MECHANICZNY ENERGETYKI I LOTNICTWA
POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
Zakład Teorii Maszyn i Robotów
Laboratorium Podstaw Automatyki i Sterowania IV
Instrukcja do ćwiczenie nr 9
Programowanie sterownika PLC
Wstęp
Wiele nowoczesnych linii produkcyjnych wykorzystuje do sterowania proste
programowalne urządzenia lokalne, działające autonomicznie, połączone ze sterownią lub
z nadzorującym proces systemem komputerowym. Przykładem takich urządzeń
są programowalne sterowniki logiczne (PLC).
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z programowalnymi sterownikami logicznymi.
W ramach ćwiczenia studenci zapoznają się z konstrukcją sterowników, ich zastosowaniami
oraz z podstawami programowania sterowników logicznych.
Wprowadzenie teoretyczne
Podstawowe zagadnienia z algebry Boole'a
Algebrą Boole'a nazywany jest następujący zbiór:

gdzie:
B  zbiór wartości
+, *  operacje 2-argumentowe na elementach należących do B
 operacja 1-argumentowa na elementach należących do B
o, i  wyróżnione elementy zbioru B
Dla każdego a, b, c należącego do B spełnione są następujące zależności:
(1) a + b" B a �"b" B
(2) a + b = b + a a �"b = b �" a
(3) a(b + c) = ab + ac a + bc = (a + b)(a + c)
(4) a + o = a a �"i = a
" "" B
a"B a
(5) a + a = i a �" a = o
W praktyce wyróżnione wartości i, o zastępowane są wartościami 0 i 1.
Podstawowe zależności to tzw. prawa de Morgana:
(1) a + b = a �" b
(2) a �" b = a + b
Charakterystyka ogólna programowalnych sterowników logicznych
Sterownik PLC, czyli programowalny sterownik logiczny, charakteryzuje się
następującymi cechami związanymi z rozwinięciem nazwy:
" sterownik - urządzenie służące do sterowania, czyli celowego
wpływania na odbywający się proces technologiczny;
" logiczny - wewnątrz urządzenia odbywa się przetwarzanie binarne,
generowane sygnały wyjściowe są binarne, a sygnały wejściowe, prócz binarnych, w
szczególnych przypadkach mogą być analogowe, jednak ich przetwarzanie (np.
progowanie) odbywa się binarnie;
" programowalny - istnieje możliwość szybkiej zmiany programu
sterowania.
Sterowniki PLC są produkowane przez szereg czołowych producentów systemów
sterowania, m.in.: Siemens, Moeller, Mitsubishi, Omron i inne. Założeniem konstruktorów
sterowników było udostępnienie użytkownikom urządzenia, które zastąpiłoby skomplikowane
Zakład Teorii Maszyn i Robotów 2
Laboratorium Podstaw Automatyki i Sterowania
układy automatyki, zrealizowane za pomocą urządzeń przekaz
nikowych. W realizacji okazało
się, że sterowniki oferują znacznie większe możliwości, dlatego obecnie są powszechnie
stosowane w mniej i bardziej skomplikowanych układach automatyki.
Sterownik powinien prawidłowo funkcjonować bez jakichkolwiek dodatkowych
elementów i w warunkach przemysłowych. Ponadto programowanie sterownika powinno
odbywać się w sposób łatwy dla użytkownika, za pomocą komputera klasy PC z możliwością
symulacji pracy sterownika. Czas trwania przestoju związanego ze zmianą oprogramowania
powinien być jak najkrótszy, a ponadto sterownik nie może gubić programu po wyłączeniu
zasilania. Możliwości sterownika powinny być co najmniej takie, jakie mają układy
przekaz
nikowe.
Dlatego programowalne sterowniki logiczne są wyposażone w zasilacz zamontowany
na urządzeniu i są wykonywane w standardowych obudowach dostosowanych do
zamocowania za pomocą szyny DIN. Producenci gwarantują poprawna pracę sterowników w
warunkach przemysłowych, czyli w określonych parametrach dotyczących temperatury,
wilgotności, zanieczyszczenia powietrza gazami, zapylenia, odporności na zakłócenia
elektromagnetyczne oraz wibracje, charakterystycznych dla typowych warunków
przemysłowych.
Wewnątrz sterownika znajduje się miniaturowy komputer z zestawem urządzeń
wejścia i wyjścia oraz z oprogramowaniem pozwalającym na wykonywanie przesłanego z
zewnątrz lub przygotowanego na miejscu programu sterującego. Całość charakteryzuje się
możliwością pracy bezprzerwowej i bardzo wysoką niezawodnością, także w trudnych
warunkach przemysłowych.
Program sterujący pozwala na przetwarzanie danych dochodzących poprzez wejścia.
Mogą to być dane o charakterze binarnym (0-1) lub analogowe (zwykle 0-10V). Wejścia
sterownika mają pewne ograniczenia odnośnie częstotliwości (rzędu 10Hz), lecz często
stosuje się w sterownikach specjalnie wydzielone wejścia pozwalające na przetwarzanie
sygnałów o wyższych częstotliwościach (nawet do 100kHz). Wyjścia ze sterowników są
zwykle wyjściami o charakterze binarnym, zależnie od zastosowań stosuje się wyjścia
tranzystorowe, tyrystorowe lub przekaz
nikowe. Liczba wejść i wyjść jest uzależniona od
modelu sterownika. Do konkretnych zastosowań zamawia się sterowniki o odpowiedniej
liczbie wejść i wyjść, ta liczba przekłada się na cenę sterowników.
Zależnie od modelu sterowniki mogą być opcjonalnie wyposażone w wyświetlacz
LCD (za pomocą którego można wyświetlać komunikaty, zmieniać datę i godzinę, zmieniać
parametry programu, a nawet modyfikować program sterownika), zegar czasu rzeczywistego.
W fazie programowania można zwykle zadeklarować, które funkcje powinny pamiętać stan
mimo zaniku zasilania. Stan ten jest zapisany w tzw. pamięci remanentnej. Niektóre
parametry można zmieniać podczas pracy sterownika z panelu kontrolnego. Programista
decyduje, które parametry mogą być zmieniane, a w razie potrzeby dostęp do nich jest
zabezpieczany hasłem.
Bardziej zaawansowane sterowniki mają możliwość podawania na wyjścia sygnałów
modulowanych PWM do sterowania silnikami, są przystosowane do pracy w sieciach
komputerowych, do współpracy z panelami operatorskimi, a nawet są wyposażane w łącza do
transmisji bezprzewodowej z innymi sterownikami lub komputerami sterującymi. W
komputerowych systemach sterowania sterowniki logiczne w charakterze sterowników
lokalnych wchodzą w skład najniższej warstwy systemu sterowania, odpowiedzialnej za
bezpośrednią współpracę z urządzeniami sterowanymi.
Przetwarzanie danych odbywa się w pętli nieskończonej, tzn. program sterujący
wykonuje się cyklicznie, a długość cyklu jest zależna od wielkości tego programu.
Charakterystyka Siemens Logo!
W ramach zajęć wykorzystywane będą sterowniki logiczne LOGO! firmy Siemens.
Dostępny model to 0BA2L-24RCL. Charakteryzuje się on następującymi cechami:
Zakład Teorii Maszyn i Robotów 3
Laboratorium Podstaw Automatyki i Sterowania
Cecha Własności 0BA2L-24RCL Własności spotykane w innych
modelach PLC
(jeśli są istotnie różne)
Napięcie zasilania 24V DC 12V DC, 24V AC, 230V AC/DC
Tolerancja napięcia +/- 15%
zasilania
Ochrona przed odwrotną TAK
polaryzacją
Liczba wejść cyfrowych 12 6, 8, 16, ...
Liczba wejść analogowych 0 2, 4
Liczba wejść szybkich 0 2
liczników
Izolacja galwaniczna wejść NIE
Liczba wyjść cyfrowych 8 4, 6, 12, 16, ...
Charakter wyjść przekaz
nikowe tranzystorowe
Obciążalność wyjść 10A 0,3A
20A (dodatkowe moduły mocy)
Częstotliwość przełączania 2Hz (zależnie od charakteru do 10Hz
obciążenia)
Zegar czasu rzeczywistego TAK
Wyświetlacz TAK
Zabezpieczenie przed 5ms do 50ms
zanikiem napięcia
Podtrzymanie pracy zegara 80 godzin
Sterownik posiada pewną wielkość pamięci, dlatego wielkość programów jest
ograniczona. Oprogramowanie do przygotowywania i symulacji pracy sterowników
uniemożliwia przekroczenie dopuszczalnej wielkości programów sterujących.
Sposoby przygotowania programu
Programowania sterowników dokonuje się za pomocą firmowego programu LogSoft
Comfort. Można wybrać sposób przygotowywania programu: jako schemat blokowy lub tzw.
schemat drabinkowy. Przetwarzanie może się odbywać przy użyciu takich elementów, jak:
bramki, przerzutniki , przekaz
niki z opóz
nieniami, liczniki, generatory, timery itp. Niektóre
bardziej zaawansowane sterowniki udostępniają programowanie w języku zbliżonym do
asemblera, co w znaczący sposób zwiększa możliwości urządzeń.
Sterownik można również programować z panelu za pomocą wyświetlacza LCD, taki
sposób programowania jest jednak niezwykle uciążliwy. Funkcje podstawowe i funkcje
specjalne sterownika LOGO! zostaną omówione w dalszej części.
Przebieg ćwiczenia
Podstawowe zasady programowania
Program LogoSoft pozwala na przygotowanie programu dla sterowników PLC typu
LOGO! firmy Siemens oraz na zasymulowanie ich działania z tym programem. W
laboratorium dostępne są wersje Demo oprogramowania, które są darmowe i można je pobrać
przez Internet ze stron firmy Siemens. W wersji Demo zablokowana jest możliwość
wysyłania programu i odczytu do i ze sterownika. Prowadzący zajęcia ma na swoim
komputerze zainstalowaną wersję pełną (płatną), dzięki czemu programowanie sterowników
możliwe jest tylko za pośrednictwem komputera osoby prowadzącej zajęcia. Po uruchomieniu
programu i określeniu sposobu przygotowywania programu (schemat blokowy) można
rozpocząć programowanie.
Zakład Teorii Maszyn i Robotów 4
Laboratorium Podstaw Automatyki i Sterowania
Najpierw należy wybrać typ sterownika - w przypadku zajęć laboratoryjnych ma to
być sterownik 0BA2.L. Jeżeli w programie ustawiony jest inny, to wyboru należy dokonać
przez menu: Narzędzia -> Wybierz typ LOGO!
Następnie można przejść do programowania. Jako pierwsze ćwiczenie należy
wykonać połączenie kilku wejść z wyjściami.
Wybór wejść odbywa się przez wybranie zbioru narzędzi Styki [Co] (pasek narzędzi z
lewej strony okna aplikacji).
Bloki wejść oznaczane są symbolami I1 do I12. Analogicznie bloki wyjść są
oznaczane symbolami Q1 do Q8. W zbiorze styków można również znalez
ć wartości stałe: lo
- wartość niska (logiczne 0) i hi - wartość wysoka (logiczna 1). Do dyspozycji jest też 8
znaczników jednobitowych (M1 do M8), które spełniają rolę jednobitowych komórek
pamięci. Umieszczanie bloków na schemacie wykonuje się intuicyjnie myszką.
Połączenia pomiędzy blokami można wykonywać metodą przeciągania myszką za
pomocą narzędzia Podłącz. Usuwanie połączeń lub bloków można zrealizować poprzez ich
zaznaczenie i następnie wciśnięcie klawisza Del.
Klikając prawym klawiszem myszy na bloki wejść i wyjść można wejść w okienko
zmian parametrów bloków, w tym przypadku zmienić ich numery oraz dodać komentarz, co
jest przydatne w celu dobrego udokumentowania projektu. W parametrach bloków wejść
można także zmienić charakter wyłączników symulujących wejścia: bistabilne (każde
kliknięcie zmienia stan), monostabilne normalnie włączone lub wyłączone, fala prostokątna o
określonej częstotliwości.
Zakład Teorii Maszyn i Robotów 5
Laboratorium Podstaw Automatyki i Sterowania
Uzyskany schemat - program sterownika - można zasymulować wybierając z paska
narzędzi Symulację.
W dolnej części ekranu pojawiają się wtedy przyciski, których stan bezpośrednio
przekłada się na stan wejść. Stan zapalenia bądz
zgaszenia ikon żarówek przedstawia stan
odpowiednich wyjść. Stan wysoki na poszczególnych połączeniach jest symbolizowany
kolorem czerwony, a stan niski - kolorem niebieskim. Symulację można w dowolnym
momencie restartować lub wyłączyć.
Sprawdzenie działania bramek logicznych
Należy wstawić trzy wejścia i sześć wyjść.
Po wybraniu zestawu funkcji podstawowych [GF] mamy do dyspozycji
trójwejściowe (w wersji dla sterownika 0BA2.L) bramki logiczne AND, NAND, OR i
NOR. Można także zastosować jednowejściową bramkę logiczną NOT i dwuwejściową
bramkę XOR (Exclusive-Or). Dostępne są także tzw. bramki zboczowe, których działanie
nie będzie omawiane.
Należy do każdego z wyjść sterownik dołączyć wyjście jednej z wymienionych
wyżej bramek. Należy przeprowadzić symulację wszystkich bramek i sprawdzić, czy
działają zgodnie z podanymi tablicami prawdy. Poniższe tabele są zbudowane dla
elementów dwuwejściowych. Przekształcenie na elementy trójwejściowe (lub o większej
liczbie wejść) nie powinno stanowić problemu.
AND OR NOT
a b y a b y a y
0 0 0 0 0 0 0 1
y = a �" b 1 0 0 y = a + b 1 0 1 1 0
y = a
0 1 0 0 1 1
1 1 1 1 1 1
NAND NOR EX-OR
a b y a b y a b y
0 0 1 0 0 1 0 0 0
1 0 1 1 0 0 1 0 1
y = a �" b
y = a �" b
y = a + b
0 1 1 0 1 0 0 1 1
1 1 0 1 1 0 1 1 0
Zakład Teorii Maszyn i Robotów 6
Laboratorium Podstaw Automatyki i Sterowania
Sprawdzenie działania wybranych funkcji specjalnych
Należy symulacyjnie sprawdzić działanie wszystkich (lub wybranych przez
prowadzącego) funkcji specjalnych, dostępnych pod przyciskiem [SF].
Testowanie należy przeprowadzić podłączając wszystkie wejścia i wyjścia bloków
funkcji specjalnych, a ponadto sprawdzając ustawienia w okienku dialogowym własności
bloków.
Przekaz
niki czasowe
We wszystkich blokach tego typu konieczne jest ustawienie wartości czasu
opóz
nienia, wprowadzanego przez dany przekaz
nik. Symbole graficzne na blokach
symbolizują wykresy czasowe działania przekaz
ników w typowych warunkach.
Należy sprawdzić w przypadku każdego z przekaz
ników sposoby powracania do stanu
zasadniczego (wyłączenie) oraz przetestować działanie w przypadkach, gdy czas trwania
impulsu wzbudzającego jest krótszy, niż ustawiony czas zadziałania.
1. Przekaz
nik z opóz
nionym 2. Przekaz
nik z opóz
nionym 3. Przekaz
nik z opóz
nionym
włączeniem wyłączaniem (czas włączeniem i wyłączeniem
opóz
nienia odmierzany od
zbocza opadającego)
4. Przekaz
nik z opóz
nionym 5. Przekaz
nik czasowy (czas 6. Przekaz
nik czasowy
włączeniem z podtrzymaniem trwania impulsu odmierzany wyzwalany zboczem
(wyzwalany zboczem od ostatniego zbocza narastającym (czas trwania
narastającym) narastającego) impulsu odmierzany od
ostatniego zbocza
narastającego)
Wyłączniki czasowe
Należy bez symulowania sprawdzić sposób ustawiania obu wyłączników. Należy
zwrócić uwagę na uzależnienie działania wyłącznika z zegarem tyogdniowym od dni tygodnia
oraz na jego niezależne programy włączania i wyłączania.
7. Wyłącznik czasowy - zegar 8. Wyłącznik czasowy - zegar
tygodniowy roczny
Zakład Teorii Maszyn i Robotów 7
Laboratorium Podstaw Automatyki i Sterowania
Generatory
Należy uruchomić każdy z generatorów przy różnych wartościach parametrów czasowych.
9. Generator symetryczny 10. Generator asymetryczny 11. Generator losowy
(współczynnik wypełnienia (dowolny czas trwania stanu
50%) wysokiego i niskiego)
Przekaz
niki impulsowe
Należy zbadać działanie przekaz
ników. W przypadku przekaz
nika RS określić, który z
sygnałów zmieniających stan ma wyższy priorytet.
12. Przekaz
nik zatrzaskowy 13. Przekaz
nik impulsowy
(RS) (zbocze narastające zmienia
stan)
Liczniki
Należy zapoznać się ze sposobem działania licznika impulsów. Należy rozpoznać
wejście kierunku zliczania i zbadać zachowanie licznika przy przekraczaniu progu
zapamiętanej wartości. Nie należy symulować licznika godzin pracy, a tylko zapoznać się z
ustawieniami. W detektorze częstotliwości należy sprawdzić reakcję na częstotliwość sygnału
wejściowego mniejszą lub większą od nastawionej.
14. Licznik impulsów 15. Licznik godzin pracy 16.Detektor częstotliwości
Inne
Należy sprawdzić działanie pozostałych bloków funkcyjnych, ze szczególnym
zwróceniem uwagi na sposób programowania bloku komunikatów.
17. Komunikaty
Przygotowanie prostego programu dla windy
W trakcie zajęć należy zapoznać się z modelem dz
wigu towarowego i dokonać jego
oprogramowania według następujących wskazówek.
Zakład Teorii Maszyn i Robotów 8
Laboratorium Podstaw Automatyki i Sterowania
Opis modelu dz
wigu towarowego
Wejścia: Wyjścia:
I1 - przycisk wymuszający ruch dz
wigu na piętro (stacjonarny) Q1 - Oświetlenie kabiny
I2 - przycisk wymuszający ruch dz
wigu na parter (stacjonarny) Q2 - Kontrolka na piętrze (dół)
I3 - czujnik krańcowy na piętrze - miejsce zatrzymania Q3 - Kontrolka na piętrze (góra)
I4 - czujnik krańcowy na piętrze - przekroczenie miejsca Q4 - Ruch windy w dół
zatrzymania Q5 - Ruch windy w górę
I5 - czujnik krańcowy na parterze - miejsce zatrzymania Q6 - niewykorzystany
I6 - czujnik krańcowy na parterze - przekroczenie miejsca Q7 - Zmiana prędkości (0 -
zatrzymania wolno, 1 - szybko)
I7 - czujnik zamknięcia drzwi na górze (1 - drzwi zamknięte) Q8 - Kierunek jazdy (góra/dół)
I8 - czujnik przeciążenia (1)
I9 - czujnik przeciążenia (2)
I10 - przycisk wymuszający ruch dz
wigu na piętro (w kabinie)
I11 - przycisk wymuszający ruch dz
wigu na parter (w kabinie)
I12 - przycisk wymuszający zatrzymanie (w kabinie)
Sterowanie silnikiem:
Stan zatrzymania: Q4 = 0, Q5 = 0, Q7 - dowolnie, Q8 - dowolnie
Jazda powolna: Q7 = 0, jazda szybka: Q7 = 1
Jazda w dół: Q8=1, po ok. 0,5s: Q4 = 1 (przekaz
nik z opóz
nionym włączaniem)
Jazda w górę: Q8 = 0, po ok. 0,5s: Q5 = 1
Uwaga: Jednoczesne włączenie Q4 = 1 i Q8 = 0 lub Q5 = 1 i Q8 = 1 może spowodować
zwarcie!
Etapy pracy:
1. Proste sterowanie dz
wigiem
Ruch w górę - po krótkim naciśnięciu dowolnego przycisku kierunku "w górę" (przekaz
nik z
opóz
nionym włączaniem z podtrzymaniem lub RS)
Ruch w dół - po krótkim naciśnięciu dowolnego przycisku kierunku "w dół"
Zatrzymanie - po osiągnięciu przełącznika krańcowego (reset odp. przekaz
nika)
Oświetlenie kabiny stale czynne
Zalecane krótkie opóz
nienie po wydaniu dyspozycji ruchu (do 0.5s)
2. Dodatkowe wyłączanie ruchu
Zatrzymywanie ruchu dz
wigu po naciśnięciu przycisku "STOP"
Zablokowanie przyjmowania dyspozycji ruchu w określonym kierunku przy realizacji ruchu
w kier. przeciwnym
3. Sygnalizacja
Odpowiednia kontrolka świeci, gdy dz
wig stoi na parterze / piętrze (pobrać sygnał z
wyłącznika krańcowego)
Odpowiednia kontrolka pulsuje, kiedy jest realizowany ruch w górę/w dół (sygnały z
przekaz
ników jazdy)
4. Uwzględnienie wyłącznika drzwiowego
Zatrzymywanie ruchu i blokowanie możliwości ruszenia przy otwartych drzwiach szybu
dz
wigu
5. Oszczędzanie oświetlenia kabiny
Oświetlenie jest zapalone przy:
" otwarciu drzwi kabiny
" ruchu kabiny
Zakład Teorii Maszyn i Robotów 9
Laboratorium Podstaw Automatyki i Sterowania
Oświetlenie gaśnie po kilku sekundach od ustania warunków zapalających (przekaz
nik z
opóz
nionym wyłączeniem)
6. Uzależnienie działania dz
wigu od kierunku jazdy i obciążenia
Jeżeli jedziemy w dół, to dz
wig jedzie szybko
Jeżeli jedziemy w górę, to dz
wig ma jechać wolniej
Jeżeli dz
wig jest przeciążony (I8=1 i I9=1), to dz
wig stoi, a ponadto pulsuje oświetlenie
wewnątrz kabiny
7. Dodatkowe wyłączanie ruchu
Zadziałanie czujników krańcowych (2) powoduje unieruchomienie dz
wigu
8. Wyświetlanie komunikatów
Sygnalizacja stanu ruchu: GÓRA, DÓA
(blok komunikatów)
Sygnalizacja stanu przeciążenia
Sygnalizacja stanu otwarcia drzwi
9. Inne
Inicjowanie zjazdu w dół o określonej godzinie (odpowiedni wyłącznik czasowy)
Przyspieszanie na określony czas po pewnym czasie od rozpoczęcia ruchu (zestaw
przekaz
ników czasowych)
Licznik godzin pracy silnika (wynik wyprowadzić na blok komunikatów)
Zadanie projektowe
Z ćwiczenia z programowania sterownika PLC każdy ze studentów otrzymuje dwie
oceny. Jedną otrzymuje się za sprawdzian wiadomości po ćwiczeniu ("zejściówka"), a drugą
za indywidualnie wykonane ćwiczenie projektowe. Oprogramowanie do ćwiczenia
projektowego można ściągnąć przez Internet ze stron firmy Siemens (linki na stronie Zakładu
TMiR) lub od. Jako zadanie projektowe prowadzący wybiera jeden z następujących tematów
(szczegółowa specyfikacja założeń znajduje się u prowadzącego, każdy z tematów ma kilka
możliwych opcji):
" sterowanie taśmociągiem ze stopniowaniem prędkości
" sterowanie oświetleniem klatki schodowej uzależnione od piętra przyciśnięcia
" sterowanie silnikiem z użyciem uruchamiania za pomocą kodu
" sterowanie światłami ulicznymi na przejściu dla pieszych
" symulowanie obecności mieszkańców w mieszkaniu (wł. i wył. świateł)
" komparator dwu wartości (potrzebna umiejętność minimalizacji funkcji)
" układ alarmu samochodowego
" sterowanie napędem kilku żaluzji
" temat własny - zatwierdzony przez prowadzącego.
Studenci zobowiązani są oddać rozwiązane zadania w wyznaczonym przez
prowadzącego terminie wraz z przygotowanym opisem wykonanego projektu.
Zakład Teorii Maszyn i Robotów 10
Laboratorium Podstaw Automatyki i Sterowania