STEROWNIKI PROGRAMOWALNE
W AUTOMATYCE
Prowadzący: dr hab. in\
. Krzysztof Pieńkowski
Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Politechniki Wrocławskiej
Bud. A-10, pok. 401
[e-mail]
Literatura do przedmiotu
1. Kwaśniewski J.: Sterowniki PLC w praktyce in\
ynierskiej,
Wydawnictwo btc, Legionowo, 2008.
2. Kasprzyk J.: Programowanie sterowników przemysłowych, WNT,
Warszawa, 2006.
3. Legierski T. i inni : Programowanie sterowników PLC, Wyd. Pracowni
Komputerowej J. Skalmierskiego, Gliwice, 1998.
4. A
ukasik Z., Seta Z.: Programowalne sterowniki PLC w systemach
sterowania przemysłowego, Polit. Radomska, 2001.
5. Mikulczyński T., Samsonowicz Z.: Automatyzacja dyskretnych procesów
produkcyjnych, WNT, Warszawa, 1997.
6. Mikulczyński T.: Automatyzacja procesów produkcyjnych, WNT,
Warszawa, 2006.
Zalecana pozycja 1, 2, 4, 6.
Inne:
1. Norma PN-EN 61131: Sterowniki programowalne, Część 1, 2, 3, 5, 7.
2. Dokumentacje i podręczniki (Manuals, Tutorials) producentów
sterowników PLC (szeroko dostępne na stronach internetowych)
Warunki zaliczenia kursu:
Zaliczenie wykładu - kolokwium zaliczeniowe na końcu
kursu
Zaliczenie kursu:
pozytywna ocena z kolokwium
pozytywna ocena z laboratorium
obecność na zajęciach wykładowych - lista obecności.
Co znaczy nazwa PLC ?
W języku angielskim stosowana jest nazwa:
PLC = Programmable Logic Controller
W języku niemieckim stosowana jest nazwa:
SPS = Speicherprogrammierbare Steuerungen
W języku chińskim stosowana jest nazwa:

�2�Ś^�Shc

�2�Ś^�Shc

�2�Ś^�Shc

�2�Ś^�Shc
Terminologia sterowników
W języku polskim stosowane są nazwy:
Sterownik PLC;
Sterownik programowalny PLC;
Sterownik swobodnie programowalny;
Programowalny sterownik logiczny;
Sterownik przemysłowy.
KONWENCJONALNE SYSTEMY STEROWANIA
W tradycyjnych systemach sterowania przemysłowego stosowane jest
sterowanie stycznikowo-przekaz
nikowe lub sterowanie z zastosowaniem
wyspecjalizowanych układów elektronicznych. Taki rodzaj sterowania jest
nazywany jako hardwiring control lub  sterowanie zadrutowane .
Działanie układu sterowania stycznikowo-przekaz
nikowego jest
określone przez układ połączeń elementów sterujących: styków przycisków
sterujących, łączników, czujników z elementami sterowanymi: cewkami
styczników i przekaz
ników, które dokonują odpowiednich załączeń urządzeń
wyjściowych: silników, siłowników, urządzeń sygnalizacji, itp.
Działanie wyspecjalizowanego elektronicznego układu sterowania jest
równie\
określone przez układ połączeń elementów elektronicznych i funkcje
tych elementów.
KONWENCJONALNE SYSTEMY STEROWANIA
Konwencjonalny system sterowania jest bardzo
nieelastyczny - ka\
da zmiana działania układu sterowania wymaga
odpowiedniej zmiany połączeń elementów w układzie sterowania
(np. przez zastosowanie przełączników) lub wymiany
odpowiednich kart z układami elektronicznymi. Jest to
pracochłonne, kosztowne i niepewne w działaniu.
Konwencjonalne układy sterowania umieszczane są w szafach
sterowniczych, które:
zajmują du\
o miejsca;
zawierają du\
ą liczbę elementów i połączeń przewodowych;
odznaczają się trudnością kontroli prawidłowości pracy i
wykrywania przyczyn niesprawności działania układu sterowania.
SYSTEMY STEROWANIA ZE STEROWNIKAMI
PLC
Sterowniki PLC są programowalnymi komputerowymi układami
sterowania.
W układach sterowania ze sterownikiem PLC wszystkie elementy sterujące są
dołączone bezpośrednio do wejść sterownika, a elementy sterowane są dołączone
bezpośrednio do wyjść sterownika.
Wzajemne powiązanie między tymi elementami i działanie układu
sterowania jest określone przez program sterowania wprowadzony do pamięci
sterownika - system softwiring.
Taki system sterowania jest bardzo elastyczny - ka\
da zmiana działania
układu sterowania wymaga tylko odpowiedniej zmiany programu sterowania
w pamięci sterownika. Jest to szybkie, niekosztowne i bardzo pewne w działaniu.
Definicja sterownika programowalnego
PLC
Sterownik programowalny PLC - jest to
urządzenie komputerowe, które na podstawie
wprowadzonego programu wykonuje zadania
sterownicze realizowane dotychczas przez układy
przełączające zbudowane z elementów o działaniu
elektromechanicznym lub elektronicznym.
ZASADA DZIAA
ANIA STEROWNIKA PLC
Schemat 1 L1 Schemat 2 L1
Tu zmiana działania układu
S1 S1 S2
sterowania jest realizowana
hardware owo - przez
S2 Zmiana
fizyczną zmianę układu
połączeń (przycisków
L L
sterowniczych S1 i S2).
Wejścia
Wejścia
Wejścia
Tu zmiana działania układu S1 S2
sterowania jest realizowana
Wejścia
software owo - tylko przez
PLC
+ 24 V
Program sterowania
zmianę programu w pamięci
Wyjścia
sterownika (bez zmiany
H
przyłączeń elementów do
sterownika).
N
ELEMENTY BUDOWY STEROWNIKA PLC
Podstawowa budowa sterownika PLC obejmuje elementy:
jednostka centralna CPU (Central Processing Unit) - mikroprocesor i pamięć
(Memory);
wejścia (Inputs);
wyjścia (Outputs);
zasilacz (Power Supply).
Do sterownika podczas programowania dołączane jest urządzenie programujące
 specjalny programator lub komputer PC.
Rodzaje budowy sterowników PLC
Pod względem architektury sterowniki PLC dzieli się na:
Programowalne przekaz
niki (moduły logiczne);
Sterowniki kompaktowe;
Sterowniki modułowe;
Sterowniki rozproszone;
Sterowniki slot PLC;
Sterowniki soft PLC;
Sterowniki specjalne (np. zintegrowane z panelem
operatorskim)
Rodzaje budowy sterowników PLC
Programowalny
Sterownik
przekaz
nik
Sterownik modułowy
kompaktowy
(moduł logiczny)
Sterownik rozproszony
Slot PLC i soft PLC
Slot PLC
Slot PLC - to sterownik programowalny w postaci karty PCI z
własnym procesorem, wprowadzanej do komputera PC.
Soft PLC - to komputer przemysłowy z zaimplementowanym
oprogramowaniem sterownika programowalnego. System soft PLC
jest wprowadzany w du\
ych i zło\
onych systemach sterowania.
Specjalne sterowniki PLC
SIMATIC C7
Sterownik PLC zintegrowany
z panelem operatorskim
Sterowniki kompaktowe
Sterowniki kompaktowe nale\
ą do klasy małych sterowników PLC
o sztywnej architekturze lub o małych mo\
liwościach rozbudowy.
W jednej obudowie sterownika znajduje się: zasilacz, CPU oraz
niewielka liczba wejść i wyjść cyfrowych, rzadziej analogowych.
Przeznaczone są głównie do sterowania niewielkimi maszynami,
aparatami lub procesami.
Sterowniki modułowe
Sterowniki modułowe nale\
ą do klasy sterowników PLC o łatwo
rozbudowywalnej architekturze.
W sterownikach modułowych poszczególne układy występują jako
osobne moduły, montowane albo na sztywnej podstawie w
gniazdach (ang. slot) lub bezpośrednio na standardowej szynie
monta\
owej DIN i łączone z sobą łączami zatrzaskowymi.
Rozbudowa sterowników kompaktowych PLC
Mo\
liwości rozbudowy ograniczone tylko do kilku modułów
rozszerzających.
Rozbudowa sterowników modułowych PLC
Szyna DIN
PS CPU Moduły wejść i wyjść
Du\
e mo\
liwości rozbudowy i konfiguracji.
Du\
y
sterownik
zestawiony
ze
sterowników
modułowych
Kierunki rozwoju sterowników PLC
Sterowniki PLC są nadal powszechnie stosowane w przemyśle. Opracowywane są
nowe konstrukcje tych sterowników. Modernizacja wielu linii produkcyjnych
polega na wprowadzeniu sterowania z zastosowaniem sterowników PLC.
Współcześnie rozwijane są rozwiązania będące połączeniem sterownika PLC i
komputera PC.
Rozwiązania te są nazywane ró\
nie przez ró\
nych producentów:
PAC ( Programmable Automation Controller)  Programowalny Sterownik
Automatyki PAC;
PCC ( Programmable Computer Controller ) - Programowalny Komputer
Sterujący PCC;
PCD ( Programmable Control Device)  Programowalne Urządzenie
Sterujące PCD.
Przewiduje się, \
e w przyszłości ró\
nica między komputerami przemysłowymi PC
i sterownikami programowalnymi PAC będzie ulegać zmniejszeniu.
Zasada pracy sterownika PLC
Sterownik PLC realizuje zadania sterowania procesem lub maszyną
w czasie rzeczywistym.
Proces
lub sterowana maszyna
Sygnały od
czujników lub
Sygnały sterujące
zadawane przez
procesem lub maszyną
obsługę
i sygnały kontrolno-
alarmowe
Wejścia sterownika PLC Wyjścia sterownika PLC
Sterownik PLC
(program sterowania)
Cykliczność pracy sterownika PLC
Podczas sterowania sterownik pracuje cyklicznie i wykonuje
następujące czynności:
Realizacja przez sterownik PLC takiego pełnego cyklu nazywana jest
cyklem programowym.
Czas trwania typowego cyklu programowego jest podstawowym
parametrem, charakteryzującym szybkość działania sterownika PLC.
Cykl programowy sterownika PLC
Aby zapewnić szybką reakcję sterownika, cykl programowy
sterownika PLC powinien być odpowiednio krótki.
W zale\
ności od rodzaju CPU sterownika, długości programu
sterowania i liczby obsługiwanych modułów typowy cykl
programowy mo\
e trwać od ułamków ms do kilkudziesięciu ms.
W wielu sterownikach istnieje mo\
liwość ustawienia czasu
trwania cyklu na stałą wartość (ang. Constant Sweep), co mo\
e
być przydatne w niektórych zastosowaniach.
SZCZEGÓA
OWE PRZEDSTAWIENIE
BUDOWY STEROWNIKA PLC
Producenci sterowników PLC
Do największych producentów sterowników PLC nale\
ą (kolejność
alfabetyczna):
" ABB
" Allen Bradley
" GE-Fanuc
" Hitachi
" Mitsubishi
" Matsushita
" Omron
" Schneider Electric
" Siemens
" Unitronics
Sterowniki PLC poszczególnych producentów ró\
nią się między
sobą konstrukcją, oprogramowaniem i zasadami programowania.
NORMALIZACJA STEROWNIKÓW PLC
Ze względu na bardzo du\
ą liczbę producentów sterowników PLC
występują bardzo ró\
ne standardy wykonania i programowania
sterowników PLC.
Stan ten utrudnia lub uniemo\
liwia wzajemną współpracę
sterowników od ró\
nych producentów, co ogranicza rozwój
układów sterowania.
Dla wyeliminowania tej niedogodności zostały podjęte starania
dotyczące normalizacji sterowników PLC.
Podstawowym celem takiej normalizacji jest ujednolicenie zasad
programowania i zapewnienie mo\
liwości wzajemnej współpracy
między sterownikami ró\
nych producentów.
NORMY DOTYCZ
CE STEROWNIKÓW PLC
W latach 1992-1993 Międzynarodowa Komisja Elektrotechniki IEC (International
Electrotechnical Commission) opracowała i wydała normę IEC 1131,
Programmable Controllers.
Norma ta została zmodyfikowana w 1998 roku i jest
oznaczana jako IEC 61131.
Norma ta została zatwierdzona do stosowania bez zmian w Europie jako norma EN
61131.
Najwa\
niejsza, trzecia część normy IEC 61131-3:
specyfikuje języki programowania sterowników PLC, opisuje elementy języka i
sposób ich u\
ywania,
definiuje elementy konfiguracji, które wspomagają instalację oprogramowania w
sterownikach PLC, oraz mo\
liwości komunikacyjne w celu ułatwienia połączenia
sterowników z innymi elementami automatycznego systemu sterowania.
Definicja sterownika programowalnego PLC
Wg normy PN-IEC 1131-1 ( tłumaczenie normy IEC):
Sterownik programowalny (PC)
Sterownik programowalny jest to cyfrowy system elektroniczny
przeznaczony do stosowania w środowisku przemysłowym, który
posługuje się pamięcią programowalną do wewnętrznego
przechowywania zorientowanych na u\
ytkownika instrukcji do
implementowania specyficznych funkcji: logicznych,
sekwencyjnych, taktujących, zliczających i arytmetycznych w
celu sterowania przez cyfrowe lub analogowe wejścia i wyjścia
szeroką gamą maszyn i procesów.
Norma wprowadza dla sterownika programowalnego odmienne od powszechnie
stosowanego następujące oznaczenie skrótowe:
PC (Programmable Controller).
Uregulowania normy IEC 61131-3
W normie określono dwie grupy języków programowania sterowników PLC:
I. Języki tekstowe;
II. Języki graficzne.
Do grupy języków tekstowych nale\
ą:
Język IL ( Instruction List  Lista rozkazów);
Język ST ( Structured Text  Tekst strukturalny).
Do grupy języków graficznych nale\
ą:
" Język LD ( Ladder Diagram  Schemat drabinkowy);
" Język FBD (Function Block Diagram  Schemat bloków
funkcyjnych);
" Język SFC (Sequential Function Chart  Język sekwencyjny).
Przykłady fragmentów programów sterowania
w ró\
nych językach
(* ustawienie Q1 *)
(* wywołanie przerzutnika *)
LD %I1
FlipFlop( S:= %I1 AND NOT %Q2, R1:=NOT STOP
ANDN %Q2
S %Q1
OR %I4 );
IL
ST
(* skasowanie Q1* )
(* ustawienie wyjścia *)
LDN STOP
%Q1 := FlipFlop.Q1
OR %I4
R %Q1
FBD
SFC
LD
Niemieckie odpowiedniki nazw języków
programowania
Dla grupy języków tekstowych:
Język AWL (Anweisungsliste) = IL ( Instruction List);
Język ST ( Strukturierter Text) = ST ( Structured Text).
Dla grupy języków graficznych :
" Język KOP (Kontaktplan) = LD ( Ladder Diagram);
" Język FUP (Funktionsplan) lub FBS (Funktions-Baustein-Sprache)
= FBD (Function Block Diagram);
" Język AS (Ablaufsprache) = SFC (Sequential Function Chart).
Nazwy języków programowania stosowane w
sterownikach firmy SIEMENS
W systemie oprogramowania Step 7 firmy Siemens wprowadzono
równie\
:
I. Języki tekstowe;
II. Języki graficzne.
Do grupy języków tekstowych nale\
ą:
Język STL ( STatement List) == IL
Język S7-SCL ( Structured Control Language) == ST
Do grupy języków graficznych nale\
ą:
" Język LAD ( LAdder Diagram) == LD
" Język FBD (Function Block Diagram)
" Język S7-GRAPH == SFC
Podstawowe elementy
programowania sterowników PLC
Program sterowania wprowadzany i wykonywany przez sterownik PLC
składa się ze zbioru instrukcji, które zapisane w odpowiednim języku
programowania PLC opisują realizację zadania sterowania.
Programowanie sterowników PLC obejmuje następujące podstawowe etapy:
1. Opracowanie algorytmu działania zadanego układu sterowania;
2. Opracowanie programu sterowania w wybranym języku programowania
sterownika PLC i wprowadzenie programu do pamięci sterownika;
3. Przetestowanie prawidłowości działania programu;
4. Uruchomienie rzeczywistego układu sterowania z zastosowaniem
sterownika PLC.