Regulatory plc

STEROWANIE PROCESAMI PRZEMYSŁOWYMI W OPARCIU

O STEROWNIKI PLC (BECKHOFF AUTOMATION)

Programmable Logic Controller

dr inż. Paweł Biał[email protected]

Embedded PC 1

STOWARZYSZENIE ELEKTRYKÓW POLSKICH

ODDZIAŁ W SZCZECINIE

www.bitermo.pl

Embedded PC 2

Budowa PLC



www.bitermo.pl

Budowa PLC

• CPU – jednostka centralna + zasilacz

• pamięć użytkowa

a. program

b. dane

• wejście

• wyjście

Redundancja

• sprzętowa

• software

• wizualizacja

Embedded PC 3

CX │ Przegląd modułów

Masters CX1500-Mxx0

Fieldbus interfaces PC interfaces Power supply

CX1020-N0xx

CX1100-000x

Fieldbus Box modules

-0003 Bus Terminals

-0004 EtherCATTerminals

CX1020

-0002 Bus Terminals

CPUUPS

CX1100-0900

CX1100-0910

CX1100-0920

-M750 -M520 -M510 -M310 -M200

RS232-N040

Audio-N020

RS232-N030

DVI/USB-N010-B520 -B510 -B310 -B200

Slaves CX1500-Bxx0

CX1010CX1010-N0x0

RS422-N040

RS232-N030

DVI/USB-N010 -0001

Ethernet-N060

CX1030-N0xx CX1030RS232-N040

Audio-N020

RS232-N030

Ethernet-N060

Ethernet-N060

Audio-N020

DVI/USB-N010



www.bitermo.pl

Embedded PC 4

CX │ Przegląd modułów

CPU + power supply + I/O interface

Bus Terminals

CX9000-1x0x/CX9010-1x0x

CX9000-0x0x/CX9010-0x0xCX9000-xxxx/CX9010-xxxx

DVI/USB

-N010

RS232

-N030

CF

-A001

EtherCAT Terminals

UPS

CX1100-0900

CX1100-0910

CX1100-0920

PC interfaces

RS422/

RS485

-N031



www.bitermo.pl

Embedded PC 5

CX1010 │ Jednostka CPU

Złącze Ethernet

Etykieta stacji

Diody stanu

Magistrala PC/104

Slot Compact Flash

Bateria RTC/ NV RAM Radiator (pasywny)



www.bitermo.pl

Embedded PC 6

Gabaryty obudowy: 100 mm x 19 mm; mocowanie na szynie DIN

19 mm

CX1000 │ Budowa

38 mm

100 m

m

Labelling area: 5 x 15 mm

38 mm



www.bitermo.pl

Embedded PC 7

CX1010-N0xx │ Interfejsy Systemowe

CX1010-N010DVI+USB

CX1010-N020 Audio

CX1010-N030CX1010-N040RS232

CX1010-N031CX1010-N041 RS422/R485

CX1010-N060 Ethernet



www.bitermo.pl

Embedded PC 8

Embedded PC – podsumowanie

Zwarta zabudowa z bezpośrednim wyjściem do

podłączenia szerokiej oferty modułów I/O,

uniwersalne zasilacze I/O; moduły fieldbus

master/slave do innych standardów

komunikacyjnych;

wyjścia DVI/USB do bezpośredniego

podłączenia monitora, bądź EPC zabudowane

w panelu (CP66, CP67); karta CF; magistrala

EtherCAT; integracja modułów safety; jedno

środowisko programowe TwinCAT z własną

wizualizacją pod WinCE



www.bitermo.pl

Embedded PC 9

Teoria-praktyka Matlab/Simulink



www.bitermo.pl

Embedded PC 10

Podział sterowników



www.bitermo.pl

Możliwości obliczeniowe

• nanosterowniki – kilka wejść wyjść

• małe sterowniki – kilka wejśc analogowych kilkadziesiąt cyfrowych

• średnie sterowniki– kilkaset wejść cyfrowych , kilkadziesiąt analogowych

• duże sterowniki – tysiące wejść i wyjść

Konstrukcja

• scentralizowana kompaktowa - zamknięta

• scentralizowana jednokasetowa modułowa

• scentralizowana wielokasetowa

• rozproszona wielokasetowa

Embedded PC 11

Pamięć



www.bitermo.pl

Pamięć

• dane

• program

• ulotna

• nieulotna

Zasilanie

• CPU

• Wejść/wyjść

Zabezpieczenia

• Separacja

• Ex

Program

a. input (rejestry- obraz)

b. program

c. output (rejestry-obraz)

d. czas

e. pierwszy scan

f. Dane liczników, przekaźników

czasowych, dane liczbowe, dane

logiczne

• przerwania

• cykliczne wykonywanie

Embedded PC 12

Pamięć



www.bitermo.pl

Zmienne - zasięg

• lokalne

• globalne

Typy zmiennych

• bool

• int

• real

• time

• string

• word

• byte (8)

• array

Rodzaj zmiennych

• Zmienne systemowe (cpu, moduły …)

• Wejściowe

• Wyjściowe

• Znaczniki –(flagi)

• Liczniki

• Timery

• rejestry

Zapis

• dziesiętny

• binarny

• szesnastkowy

Embedded PC 13

Proces - PLC



www.bitermo.pl

Stany pracy

• programowanie

• stop

• run

Proces

Aktualizacja danych wejściowych

Realizacja programu

Aktualizacja danych wyjściowych

Embedded PC 14

Cykl pracy - pierwszy cykl



www.bitermo.pl

• start

• Test PLC

• Inicjalizacja danych

• Obsługa cykliczna

• Aktualizacja obrazu DI

• Program

• Aktualizacja obrazu DO

• Test PLC

CPU

Zasilanie

Pamięc

hardware

programowanie

zasilanie

częściowa suma kontrolna

Embedded PC 15

Cykl pracy – praca cykliczna



www.bitermo.pl

• start

• Test PLC

• Inicjalizacja danych

• Aktualizacja obrazu DO

• Test PLC

• Obsługa cykliczna

• Aktualizacja obrazu DI

• Program

CPU

Zasilanie

Pamięc

hardware

programowanie

zasilanie

częściowa suma kontrolna

Embedded PC 16

Watchdog



www.bitermo.pl

Restart

Znacznik =1

Program awaryjny

Zabezpieczenie aparaturowe

Embedded PC 17

Języki programowania



www.bitermo.pl

texual languages

instruction list (IL) LD 17

ST lint (* comment *)

GE 5

JMPC next

LD idword

EQ istruct.sdword

STN test

next:

structured text (ST)

IF value < 7 THEN

WHILE value < 8 DO

value := value + 1;

END_WHILE;

END_IF;

Język C

int main ( void )

{ ……..

return 0;

}

grafical languages

function block diagram (FBD)

ladder diagram (LD)

Embedded PC 18

Języki programowania



www.bitermo.pl

grafical languages

function chart (CFC) sequential function chart (SFC)

Embedded PC 19

Sieci przemysłowe



www.bitermo.pl

Topologia

• RS232 jest najprostszym i najbardziej uniwersalnym interfejsem szeregowym, umożliwia przesył danych w

trybie point-to-point, czyli jedynie pomiędzy dwoma urządzeniami. Transfer odbywa się dwiema

jednokierunkowymi liniami danych, RxD (odbieranie) oraz TxD (nadawanie), modulowanych napięciowo w

zakresie -15/+15V w odniesieniu do masy sygnałowej SG: stan niski („0” lub space) odpowiada napięciu

+3..+15V, natomiast stan wysoki („1” lub mark) napięciu -3..-15V (rys. 3.1)

• RS485 stanowi jedna dwukierunkowa linia transmisyjna. Jest to symetryczna dwuprzewodowa magistrala,

modulowana napięciem różnicowym (point-multipoint)

Protokoły

• Adresowanie na poziomie warstwy liniowej – MAC (Media Access Control)

• Adresowanie na poziomie warstwy sieciowej – protokół IP (Internet Protocol)

• Protokół TCP (Transmission Control Protocol)

Embedded PC 20

Sieci przemysłowe



www.bitermo.pl

Systemy sieciowe

• Modbus RTU (rs232 i rs485) i TCP/IP (kapsułkowana do protokołu transportowego TCP )

• Protokół UDP (User Datagram Protocol)

• Modbus Plus

• Profibus (rs485) /DP (jedno urządzenie nadrzędne -wiele podrzędnych) /PA(Ex)/FMS(komunikację węzłów

nadrzędnych )

• DeviceNET - Jest to przemysłowa sieć poziomu urządzeń, oparta, jak Profibus, na trzech warstwach modelu OSI.

Warstwy podstawowe (1 i 2) pochodzą ze standardu CAN – sprzęg elektryczny jest napięciową modyfikacją

połączenia szeregowego RS485 (rys.4.9), a ramka zdefiniowana jest standardem CAN 2.0A (rys.4.10), podobnie

zasada arbitrażu (priorytetowy dostęp CSMA – p.3.2.3). Jak w większości sieci szeregowych występuje podział

na urządzenia nadrzędne (Scanner) i podrzędne (Adapter). Warstwę aplikacyjną stanowi protokół CIP (Common

Industrial Protocol), opracowany przez projektantów Rockwell Automation

• EtherNET/IP jest koncepcyjną modyfikacją klasycznych systemów sieciowych opartych na Ethernet. To

oznacza, że bez przeszkód może być stosowana do realizacji połączeń na poziomie informacyjnym.

Wprowadzona modyfikacja (człon „/IP” – Industrial Protocol)

• ControlNET jest siecią poziomu sterowania w systemach Rockwell Automation

Embedded PC 21

Sieci przemysłowe



www.bitermo.pl

Embedded PC 22

Sieci przemysłowe



www.bitermo.pl

• Architektura komunikacji sieciowej dzieli się na siedem poziomów. Każdy poziom – warstwa - jednego węzła

komunikuje się z tą samą warstwą drugiego węzła i udostępnia swoje zasoby warstwie wyższej. Przesył danych

odbywa się za pośrednictwem warstw poniższych. Podział taki wprowadzony został przez Międzynarodową

Organizację Standaryzacyjną (ang. ISO), w celu usystematyzowania poszczególnych funkcji komunikacyjnych

każdego węzła w sieci komputerowej. Warstwy, począwszy od pierwszej - najniższej, łączącej się bezpośrednio

z kablem, skończywszy na siódmej, współpracującej z oprogramowaniem aplikacyjnym komputera, pełnią

określone funkcje w komunikacji:

• Warstwa fizyczna (1) – zapewnia połączenie elektryczne pomiędzy węzłami. Odpowiada za takie parametry jak

poziomy napięć odpowiadające poszczególnym stanom logicznym, odpowiedni kształt impulsów, zbocza,

modulacja, itp. Warstwa fizyczna opisuje także parametry kabla, jego długość, a także szumy w transmisji. Nie

wprowadza natomiast żadnej ingerencji w strumień danych, ani też nie interpretuje wymienianych danych.

• Warstwa łącza danych (2) - zwana też warstwą liniową, odpowiedzialna jest za konwersję i odbiór paczek danych

(wykrywanie granic, dodawanie odpowiednich znaczników na początku i końcu ramki), oraz czuwanie nad

poprawnością ich wymiany. Warstwę tą można podzielić na dwie podwarstwy (ze względu na wypełniane

funkcję). Jedna odpowiada za dostęp urządzenia do medium transmisyjnego, w przypadku pojawienia się kolizji,

polegającej na próbie jednoczesnego nadawania przez dwa węzły sieci. Druga, zwana podwarstwą łącza

logicznego, jest odpowiedzialna za adresowanie urządzeń na poziomie MAC. Zawiera różne metody kontroli

prawidłowości komunikatów i w razie wykrycia błędu uruchamia odpowiedni mechanizm naprawczy, np.

ponowne przesłanie ramki.

Embedded PC 23

Sieci przemysłowe



www.bitermo.pl

• Warstwa sieciowa (3) – występuje w sieciach o rozgałęzionej topologii, z aktywnymi węzłami

przekierowywującymi dane do odpowiednich podsieci. Odpowiedzialna jest za wyznaczanie trasy przesyłania

komunikatów do zadanego adresata. Powyżej tej warstwy topologia sieciowa nie jest w ogóle widoczna.

• Warstwa transportowa (4) – jest odpowiedzialna za otwieranie i zamykanie połączeń stosowanego typu i

prędkości pomiędzy węzłami. Oprócz tego dzieli długie dane na krótsze komunikaty, co umożliwia równoległe

ich wysłanie za pośrednictwem różnych połączeń.

• Warstwa sesji (5) – kieruje przebiegiem komunikacji, odpowiada za nawiązywanie oraz wznawianie połączeń,

czuwa nad bezpieczeństwem przesyłanych danych. W praktyce warstwa ta jest rzadko używana. Przeważnie

jej funkcje przydziela się warstwie transportowej.

• Warstwa prezentacji (6) – odpowiada za format danych, czyli kompresję oraz kodowanie przesyłanych

informacji, a także szyfrowanie i deszyfrowanie niskopoziomowe.

• Warstwa aplikacji (7) – ostatnia, najbardziej zaawansowana warstwa, w której zaimplementowane są

poszczególne usługi komunikacyjne i związane z nimi protokoły finalne.

Embedded PC 24

Procesy - przykłady



www.bitermo.pl

Procesy ciągłe

• przepływ

• poziom

• ciśnienie

• temperatura

• prędkość

Procesy dyskretne

• nadzór maszyn

• pakowanie

• sterowanie robotami

• transport

• bezpieczeństwo


Embedded PC 25



www.bitermo.pl

Układ regulacji

poziomu tlenu w

spalinach

Odsalanie

Odmulanie

Układ regulacji

poziomu wody

Płomienica

płomieniówki

Przestrzeń

wodna

Przestrzeń

parowa

Regulacja

ciśnienia

Embedded PC 26




www.bitermo.pl

POZIOM

WODY

przy zmiennym poborze pary występują

częste wyłączenia kotłowni - przekroczenia

granicznych poziomów wody

trudne

wyznaczenie

modelu

matematycznego

zmienność parametrów

chwilowy

pobór pary

ciśnienie

statyczne w kotle

temperatura

wody zasilającej

• regulacja „jednoimpulsowa ciągła”

chwilowy

pobór pary

chwilowy

przepływ wody

• regulacja „modulowana

dwuimpulsowa”

• regulacja „modulowana

trójimpulsowa”

Embedded PC 27




www.bitermo.pl

Procesy – stanowisko badawcze

Komputer

Kocioł Pompa Falownik

SterownikPanel PLC

Serwer www

KOTŁOWNIA –

OBIEKT

INWESTORA

PROJEKTANT

SYSTEMU

INTERNET

KomunikacjaPrzesłanie sygnału ze

sterownika

Korzysta z programu

Mitsubishi IDR Blok

Realizuje wizualizację procesów

Posiada wbudowaną funkcjonalność

serwer a www

Operacyjna obsługa

kotłowni

Sygnał

sterowania

4-20 mA

Sygnał HzSygnał – Q

przepływ wody

Czujnik odbiera sygnał o

poziomie wody

4-20 mA

Kolejne modyfikacje

programu

Przesłanie sygnału

Bezpośrednie

wgranie programu

do sterownika

Modyfikacja

programu przez

www

Feedback – modyfikacja

elementów programu lub

parametrów

Feedback – inf zwrotna

Feedback – inf zwrotna

Komunikacja

dwustronna

Stanowisko badawcze

Mapowanie pulpitu panelu PLC

Hz

Operator –pracownik

kotłowni

Urządzenia

kotłowni

Połączenie poprzez kanał VPN

umożliwia bezpieczny zdalny

monitoring pracy kotłowni –

mapowanie wizualizacji z panelu PLC

na komputer projektanta Monitoring pracy urządzeń

Embedded PC 28



www.bitermo.pl

Embedded PC 29



www.bitermo.pl

Dziękuję za uwagę

Documents

Regulatory plc