1SISTEME MODERNE DE CONDUCERE CUAUTOMATE PROGRAMABILE

Bibliografie

1. D., Popescu, Automate programabile, MatrixRom, Bucureti, ISBN 973-685-942-8,2005

2. V.Ghe., Gaitan, V., Popa, A.C., Tanase, Arhitectura reelelor industrialelocale,Matrix Rom, Bucureti, ISBN 973-685-849-9, 2004.Cota: T III 18360.

3. St., Preitl, R.E., Precup Introducere n ingineria reglrii automate, EdituraPolitehnica, Timioara, ISBN 973-8247-77-2, 2001. 334 p., Cota: T III 17927

4. A., Varga, V., Sima, Ingineria asistat de calculator a sistemelor automate :Algoritmi i programe de proiectare, Editura Tehnic, Bucureti, ISBN 973-31-0753-0, 1997, 428 p., Cota: T III 17093

5. IEEE TRANSACTIONS on Automatic Control , A Publication of the IEEE ControlSystems Society / The Institute of Electrical and Electronics Engineers, FoundingEditor George S. Axelby , Cota: PL III 277 , Existent: 1991,Vol.36(1-12) -2004,Vol.49(1-12)

6. http:www.moeller.ro7. http:www.schneider-electric.com

1. AUTOMATE PROGRAMABILE

Automatul programabil (Programable Logic Controler) a aprut ca oalternativ flexibil, ieftin i sigur la panourile cu logic cablat (cu relee).Automatele programabile s-au dezvoltat i diversificat continuu astfel nct n prezentacestea realizeaz o multitudine de funcii: logice, de temporizare, numrare, calculearitmetice, analiz de date, de comunicaie cu alte echipamente ale sistemului deautomatizare. AP este un echipament electronic digital, construit pentru a controla ntimp real procese logice secveniale n medii industriale eterogene. Automatulprogramabil a fost dezvoltat ca urmare a solicitrilor din industria american aautomobilelor, aflat n plin dezvoltare n anii 60: de a dezvolta benzi de fabricaieautomatizate controlate de echipamente reutilizabile.

2Pentru a reduce preul de producie productorii au solicitat un sistem numeric decontrol fiabil i flexibil care s poat fi utilizat n medii industriale agresive, s poat fiuor de programat i de ntreinut de personalul tehnic i s fie reutilizabil. n cazulliniilor clasice de producie de fiecare dat cnd era schimbat modelul de main, sutede panouri cablate cu relee, proiectate s deserveasc un proces de automatizarespecific erau dezafectate.

Agresiunile mediului industrial perturbator se datoreaz urmtorilor factorii: mediului fizic i mecanic caracterizat prin vibraii, ocuri, umiditate, temperaturridicat a mediului ambiant local (5060 C), prin vecintatea cu cuptoare, reactoare,furnale fierbini care pot duce la funcionarea la limita de toleran admis de unelecomponente; polurii chimice, concretizate prin existena unui numr important de factoriparticulari distructivi cum ar fi gazele corozive (Cl2, H2S, SO2), vaporii dehidrocarburi, pudre metalice (degajate n seciile de prelucrri mecanice, turntorii) sauminerale (degajate n betoniere); ca mijloace de protecie mpotriva polurii chimiceproductorii utilizeaz lcuirea circuitelor imprimate i instalarea filtrelor, cu rolul de aelimina praful sau gazele; perturbaiilor electrice, dintre care o inciden mai mare o au interfereneleelectromagnetice ca rezultat a cuplajelor capacitive sau inductive, parazii de origineelectrostatic i fenomenele termoelectrice (prin efectul Peltier).

Divizia Hydramatic de la General Motors a elaborat primul controler logicprogramabil n anul 1968. Avantajele automatelor programabile sunt multiple i pediferite planuri:

flexibilitate n configurare, automatulprogramabil poate conduce procesediferite, iar modificrile procesului de producie se realizeaz de aceast dat lanivel software (funcii logice), modificrile de program sunt mai uor deimplementat dect modificrile la nivel hardware;

siguran, dispozitivele electronice sunt mai sigure i mai uor de ntreinutdect releele mecanice;

cost sczut, sistemele numerice sunt capabile s realizeze software funciicomplexe la un pre sczut;

faciliti de exploatare i depanare, echipamentul de programare al automatelorpoate furniza informaii asupra funcionrii sistemului, listarea circuitelor cuprobleme, soluii de remediere a avariilor.

3Fig. 1.1. Arhitectura automatelor programabile

Unitatea central este dezvoltat n jurul unui microprocesor n cazulmicroautomatelor programabile (cu maxim 128 I/O) respectiv a dou microprocesoare,master i supervizor, n cazul automatelor de talie medie (pn la 1024 I/O) i mare(peste 4096 I/O). Magistralele sistemului trebuie s permit schimbul rapid i eficiental informaiilor (10 Moctei/secund).

Memoria AP este format din memoria rezervat programelor sistemului imemoria rezervat programelor utilizatorului. Programul const dintr-o succesiune deoperatori care permit realizarea funciilor logice cerute. Instruciunile sunt stocate nadresele consecutive ale memoriei (E)EPROM i executate automat, n ordine, prinadresarea consecutiv a locaiilor memoriei, prin intermediul unui contor alprogramului. Formatul tip a unei instruciuni a automatului programabil este prezentatn figura 1.2. pentru un cuvnt de 32 bii:

Fig. 1.2. Formatul instruciunilor automatelor programabile

Consola deprogramare

Proces tehnologic

Unitateacentral

Sursa dealimentare

Modul I/Onumerice

Modulcomandnumeric

axe

Modul I/Oanalogice

Modulcomunicaie Rezerve

Elemente execuie:distribuitoare de

comand, contactoare,relee, c-d. PWM

Traductoare numerice:microntreruptoare,

senzori de proximitate,poziie, vitez

Elemente execuie:motoare de c.c.,

motoare pas cu pas

Elemente execuie:(servo)distribuitoare

proporionale,prescrise analogice

Traductoare analogice:senzori de nivel, distan,

for, resolvere

IBM/PC

RS 232AP

LAN, Internet, CAN,Modbus, RS 485

3 bii tip operand

registrul cel mai puin semnificativ

3 bii tip adresare

registrul cel mai semnificativ

adres operand8 bii codul operaiei

32 11617

4Datele folosite de AP pe parcursul rulrii programului sunt stocate automat nmemoria RAM a sistemului (independent de aciunile utilizatorului). Zona de date esteorganizat n subzone care stocheaz un anumit tip de date dintre care cele maisemnificative sunt: imaginea strii intrrilor I, stocheaz starea (1 sau 0) a intrrilor de la senzorii i

traductoarele digitale din proces; imaginea strii ieirilor O, stocheaz datele binare (1 sau 0) care vor activa sau

dezactiva dispozitivele de execuie din proces; starea variabilelor de memorie M, utilizate pentru pstrarea unor rezultate pariale; starea numrtoarelor C, stocheaz tipul (cu numrare nainte, napoi, nainte/

napoi), valoarea curent, valoarea setat; starea canalelor de temporizare T, stocheaz tipul (temporizare la acionare,

revenire, monostabil), valoarea curent, valoarea setat; date numerice D, stocheaz datele utilizate pentru conversiile de numere,

compararea blocurilor de date etc. funcii F, stocheaz starea i datele funciilor speciale folosite de programul

utilizator.Informaia stocat n memoria RAM a automatului este temporar i poate fi meninutun timp limitat cu ajutorul surselor auxiliare: supercapacitor (24 luni) sauacumulator (12 ani).

Pentru a asigura schimbul de informaii cu procesul controlat, AP pot fi prevzutecu o mare varietate de module I/O care prezint particularitatea de a fi specialproiectate pentru un mediu industrial puternic poluat electromagnetic.

Nivelul tensiunilor de intrare standardizate este de 24, 48, 110, 220 V c.c. sau c.a.n cazul semnalelor provenite de la microntreruptoare, senzori inductivi deproximitate sau 5V (TTL) respectiv 15 V (CMOS) n cazul semnalelor achiziionate dela senzorii i traductoarele digitale inteligente, cu prelucrare local a informaiei.Pentru a se preveni avarierea circuitelor digitale ale AP (5 V) n cazul unor defecte deizolaie n circuitele electrice din proces, este obligatorie separarea galvanic a acestorcircuite prin dispozitive optoelectronice.

5Fig. 1.3. Canale de intrare:a. intrare digital de c.c. i c.a.; b. intrare digital pentru semnale de mare vitez

Pentru procese rapide intrrile automatului programabil pot fi configurate slucreze ca numrtoare de mare vitez HSC (High Speed Counter) cu operare pefrontul pozitiv/negativ al impulsului standardizat (5..15 V, factor umplere 20% 80%), figura 1.3.b. Fiecare numrtor realizeaz procesarea direct a semnalului tipimpuls, cu frecvena maxim de 10 kHz, pentru implementarea aplicaiilor de controlindustrial ca: msurarea debitelor, a vitezei motoarelor de acionare, contorizareaoperaiilor rapide de ncrcare/descrcare a materialelor, memorarea poziiei n buclelede reglaj n poziie. Datorit costului ridicat canalele de intrare se realizeaz grupat pemodule de intrari, echipate cu 8 sau 16 canale.

Canalele de ieire au rolul de a asigura comanda elementelor de execuie dinproces cu asigurarea separrii galvanice i a nivelului de putere solicitat. n funcie decurentul solicitat canalele de ieire se realizeaz n urmtoarele variante constructive: cu ieire pe tranzistor, pentru c.c. cureni de maxim 1A, tensiune U = 524 V c.c.; cu ieire pe releu, pentru alimentarea consumatorilor c.c. i c.a., curent maxim pe

contact 2A pe sarcin rezistiv, tensiune U = 24240 V; cu ieire pe triac, pentru alimentarea consumatorilor de curent alternativ de putere,

curent maxim de 10 A pe sarcin rezistiv, tensiune U = 24240 V.

D1

+5 V

O1

R1

MOV

R2

LED1

R3

Uni

tate

ace

ntra

lAutomat programabil

Filtru

T=520 ms

V1

Proces

IN1

COM

P1S1

D1

+5 V

O1

R1

R2

LED1

R3

Uni

tate

ace

ntra

l

Automat programabil+V1

Proces

HSC

COM MV1

Filtru

T=100 s

a.

b.

c.c.sauc.a.

6Ieirile pe tranzistor se utilizeaz numai n curent continuu ca ieiri standardpentru cureni mici (maxim 1 A) i n special pentru ieiri de mare vitez tip PWM, cutimp mic de rspuns 0,1 ms. Etajul de putere este realizat cu tranzistor bipolar (npn saupnp) sau cu tranzistor MOSFET pentru puteri mai mari. Prin utilizarea facilitii PWMeste posibil generarea unui profil particularizat de vitez pentru comanda unui motorde c.c de mic putere sau comanda n poziie a unei vane de reglare a debitului, figura1.4.:

Fig. 1.4. Canal de ieire pe tranzistor

Alimentarea sarcinii comandate se poate face la alegere de la sursa intern aautomatului n cazul unui curent de maxim 12 A (pe toate ieirile) sau de la o sursextern adaptat consumatorilor comandai, prin setarea conexiunii J1.

Ieirile pe releu, cu contacte normal deschise, pot controla aplicaii precumpornirea motoarelor, comanda bobinelor contactoarelor, electromagneilordistribuitoarelor de comand, lmpilor de semnalizare.

Fig. 1.5. Canal de ieire pe releu

Canalele de ieire pe triac sunt mai puin uzuale fiind folosite numai pentrucomanda sarcinilor de curent alternativ, figura 1.6.:

D1

RsOUT1

Automat programabil Element execuie

+5 V

K1K1

LED1

R3

Uni

tate

ace

ntra

l

COM1

F1

c.c.sauc.a.

U

D1

Rs

+524 V

T1

OUT1

Automat programabil Element execuie

DZ1

+5 V

O1

R1R2

LED1

R3

Uni

tate

ace

ntra

l

COM1

F1

+24Vint

=

PWM

+24VextJ1

7Fig. 1.6. Canal de ieire pe triac

Pentru a asigura o mai mare flexibilitate de exploatare n prezent productorii deAP realizeaz module I/O ale cror canale sunt configurabile software ca intrri sauieiri n funcie de necesitile sistemului controlat.

Numrtoarele utilizate de automatele programabile sunt de trei tipuri: cunumrare nainte (CTU), cu numrare napoi (CTD) i cu numrare nainte/napoi(UDC). Numrtoarele de mare vitez HSC sunt realizate hardware spre deosebire denumrtoarele uzuale care sunt implementate software i ca urmare au funcionareadependent de durata ciclului AP.Forma general a unui numrtor nainte (napoi) este prezentat n figura 1.7.:

Fig. 1.7. Numrtor nainte (napoi)

Numrtorul este identificat prin litera C urmat de un numr nnn a crui valoaremaxim depinde de tipul AP, funcioneaz cu dou semnale de intrare: IN0 pentrunumrare nainte sau napoi (COUNT) i IN2 pentru tergerea coninutului registruluide numrare (RESET). Numrtorul mai conine un registru n care este memoratvaloarea setat pn la care sau de la care se numr evenimentele (exemplu C00numr nainte pn la 3). La atingerea valorii setate variabila C00 ia valoarea 1 logic.Numrtoarele nainte/napoi utilizeaz trei canale de intrare: IN0 pentru numrarenainte (COUNT UP), IN1 pentru numrare napoi (COUNT DOWN) i IN2 pentrutergerea coninutului registrului de numrare (RESET). Coninutul registrului denumrare crete sau scade n funcie de semnalele de intrare i numai la atingerea

RsOUT1

Automat programabil Element execuie

OT1

COM1 F1

110220 V c.a.

U~

+5 V

R2

LED1

R3

Uni

tate

ace

ntra

l

Fs

C00003

RESET

COUNT UP (DOWN)IN0

IN2

IN0

C00

IN2

N=3

t

8valorii setate (exemplu valoarea 4), variabila C02 ia valoarea 1 logic, conformdiagramelor de semnal prezentate n figura 1.8.:

Fig. 1.8. Numrtor nainte/napoi

Canalele de temporizare sunt utilizate cel mai frecvent pentru a genera un intervalde timp controlabil nainte de a se executa un anumit eveniment. Pentru realizareaacestei funcii generale (cu implementare software) se pot utiliza urmtoarele tipuri decanale de timp: canal de timp cu temporizare la acionare TON (Timer On-Delay); canal de timp cu temporizare la revenire TOFF (Timer Off-Delay); canal de timp de tip monostabil TMON (Timer Monostable); canal de timp cu acumulare TAC (Timer Accumulating);

Canalele de timp cu temporizare la acionare sunt cele mai utilizate deoarecerealizeaz o ntrziere programabil fa de un semnal de lansare, fiind echivalentulsoftware al releelor de timp cu aceeai funcie.

Fig. 1.9. Canal de timp cu temporizare la acionare TON

Canalele de timp cu temporizare la revenire TOFF realizeaz funcia detemporizare opus unui canal TON.

C02004

RESET

COUNT UPIN0

IN1

IN0

C02

IN2

C02=1t

IN2

COUNT DOWN

C02=3 C02=4

IN1

TONT00020

T00=2 s

STARTIN0

CLK

IN0

T00 TON

t = 20x0,1 s

tceas intern

x0,1s; x0,01s

T00=0 sT00=0 s (Reset)

TOFFT01015

T01=1,5 s

STARTIN0

CLK

IN0

T01TOFF

t = 15x0,1 s

tceas intern

x0,1s; x0,01s

T01=0 s (Reset)Start

9Fig. 1.10. Canal de timp cu temporizare la revenire TOFF

Canalele de timp de tip monostabil se utilizeaz pentru generarea unei temporizricu durat impus i care, pe durata acestui interval de timp, nu este afect demodificarea condiiei logice de intrare.

Fig. 1.11. Canal de timp de tip monostabil TMON

Canalele de timp cu acumulare msoar durata total a un eveniment repetitivpn la apariia unei comenzi de tergere. Procesul de contorizare continu (dac seatinge limita de timp procesul se reia din nou de la valoarea zero) pn la apariia unuisemnal de tergere. Semnalul de tergere foreaz automat i variabila setat lavaloarea zero.

Fig. 1.12. Canal de timp cu acumulare TAC

Conducerea numeric a acionrilor electrice poate fi realizat cu ajutorulautomatelor programabile AP multiprocesor sau a comenzilor numerice asistate decalculator CNC n cazul aplicaiilor pretenioase. Arhitectura AP multiprocesor permiteprelucrarea informaiilor la nivelul unor module specializate ce funcioneaz dup unprogram propriu. Nivelul nalt de specializare a acestor module dotate cumicroprocesor i memorie proprie asigur prelucrarea local a datelor, micorarea

TMONT02015

T02=1,5 s

STARTIN0

CLK

IN0

T02TMON

t = 15x0,1 s

tceas intern

x0,1s; x0,01s

T02=0 s (Start)

TACT03010

T03=1,4 s

STARTIN0

CLK

IN0

T03TAC

t = 10x0,1 s

t

ceas internx0,1s; x0,01s

T03=1 sT03=0,5 s

IN1RESET

IN1

T03=1,8 s T03=0,4 s

10

timpilor de transfer a datelor deoarece pe magistral sunt vehiculate doar rezultatefinale, figura 1.13. Rezultatele finale sunt transmise n zona de memorie comun deunde sunt puse la dispoziia unitii centrale sau celorlalte module specializate ce potaccesa i utiliza aceste date conform unui protocol intern.

Figura 1.13. Arhitectura modulelor specializate utilizate n AP multiprocesor

Programarea modulelor specializate se limiteaz la selectarea parametrilor de lucruprin utilizarea, la nivelul consolei de programare, a unor casete de dialog interactiv.Unitatea central controleaz modul de desfurare secvenial a aplicaiei isupervizeaz funcionarea modulelor specializate. Cele mai utilizate module sunt: modul intrri ieiri numerice; modul intrri ieiri analogice; modul intrri analogice cu prag reglabil; modul reglare PID; modul de comand autoadaptiv PIDD2; modul control acionri axe.

Modulele de intrri ieiri numerice nu echipeaz dect AP de nivel superior cepot prelucra date numerice a cror mrime este uzual de 16 bii. Un modul este formatprin reunirea a 16 intrri sau ieiri digitale care sunt multiplexate n bloc pentru a seputea conecta astfel un numr mai mare de elemente I/O fr a crete excesiv preulautomatului. Pentru separarea variabilelor binare de cele numerice se utilizeazcodificarea diferit a operanzilor astfel nct cuvntele de 16 bii s fie interpretate caun ansamblu.

Modulele de intrri ieiri analogice se utilizeaz n aplicaiile care necesit

PROCES

mag

istr

ale

inte

rne

32bii

EPROM

Program modulspecializat

RAM

Date locale

P

MagistraleAP

A0A10

D0D31

Controlermagistrale

Date Control

Unitateacentral

Adrese

magistrala de control

magistrala de date D0Dx

magistrala de adrese A0Ay

INTERFADEDICAT

PROCES

Motoare c.c.MPP

Traductoare poziieI/O analogice

Reele industriale

Modulspecializat

11

prelucrarea unei mrimi analogice sub form numeric sau invers. Ieirile analogicesunt simplu de realizat cu ajutorul convertoarelor digital analogice a cror tehnologieeste bine pus la puct i nu ridic probleme tehnice sau de pre deosebite. Intrrileanalogice sunt mult mai dificil de realizat i au preuri de cost ridicate (100...150/canal). Marea majoritate a convertoarelor analog numerice lucreaz pe 1012 biicea ce limiteaz valoarea minim a semnalului analogic ce poate fi prelucrat numerici necesit timpi de conversie de 1...2 s. Din acest motiv pentru adaptarea semnaluluide intrare se utilizeaz amplificatoare performante cu ctig programabil iar pentrureducerea costurilor, canalele analogice sunt multiplexate ceea ce conduce la ontrziere suplimentar de nc 1 s i limiteaz frecvena maxim a semnalelorachiziionate la 100 kHz.

Fig. 1.14. Echiparea standard a unui automat programabil de clasa medie GE Fanuc

Modulul cu intrri analogice i prag reglabil asigur modificarea strii logice aunei variabile asociate intrrii atunci cnd, semnalul analogic monitorizat depete ovaloare prestabilit. Aplicaiile tipice ale acestor module sunt realizarea proteciiloracionrilor la: suprasarcin, depirea temperaturii maxim admise, supraturaie, limitcurent pornire, etc.

Modulele de control a acionrilor, figura 1.15.a., asigur comanda n vitez ipoziie a uneia sau a mai multor axe (414), cu posibiliti de interpolare, dup o legede micare ce variaz n timp n conformitate cu cerinele procesului tehnologiccontrolat. Aceste module asigur acionrii poziionri n limita unui nivel de eroareadmis cu respectarea parametrilor cinematici de micare. Modulele de acionare suntspecial echipate pentru acionri cu motoare de curent continuu sau motoare pas cupas, figura 1.15.b. Msurarea poziiei i vitezei axei se realizeaz cu traductoareincrementale, absolute sau de tip resolver, figura 1.15.c., conectate la intrrispecializate care pot achiziiona date de la 14 traductoare cu o rat de 0,8 ms pentrucontrolul poziiei i 32 ms pentru controlul vitezei. Modulele de acionare actualepermit controlul parametrilor de micare (poziie, vitez, acceleraie, pant acceleraie

Unitateacentral

Modul specializat de comunicaieRS232, DeviceNet, Ethernet

Sursa dealimentare

Modul ieiri digitale Modul intrri digitaleModul specializat

intrri/ieiri analogice

Borne de conexiunicu procesul

12

frnare, limite deplasare ax) n funcie de timp prin programarea unui numr de200500 puncte de control (set point). Controlul precis al parametrilor acionrii esterealizat cu regulatoare numerice PID sau regulatoare numerice adaptive de tip PIDD2,care se pot programa prin instruciuni speciale. Timpul de calcul afectat unei bucle dereglare este de 510 ms ceea ce este satisfctor pentru majoritatea sistemelor deacionare a cror constant de timp este uzual de ordinul sutelor de ms. Modulespecializate cu funcii de reglare PID sunt disponibile i separat, un modul asigurndcontrolul pentru maxim 2030 bucle de reglare ntr-un timp de 250 ms.

Fig. 1.15. Module specializate: a. modul acionare motoare c.c. (GE Fanuc); b. modul acionaremotoare pas cu pas (Allen-Bradley); c. Modul traductori poziie (GE Fanuc)

Numrul de module specializate care pot lucra pe o platform comun de APmultiprocesor depinde de capacitatea unitii centrale, posibilitile de control itransfer a datelor pe magistrale, ca urmare majoritatea productorilor ofer sisteme cepot lucra cu maxim: 31 module specializate (Telemecanique TSX87), 64 modulespecializate (GE Fanuc 90-70 PLCs).

a. b. c.

12

2. FUNCIONAREA AUTOMATELOR PROGRAMABILE

Caracteristica unic a automatelor programabile o reprezint funcionarea dup unciclu nchis, n care instruciunile programelor de sistem i aplicaie sunt executatesuccesiv pn la ultima dup care ciclul de parcurgere a instruciunilor se reia cu primainstruciune. Un ciclu de funcionare cuprinde dou faze: faza de realizare a funciilor de sistem, care implic rularea subprogramelor interne

prin care este asigurat funcionarea UC, funcia de autodiagnoz, schimburile dedate cu exteriorul i ntre modulele sistemului;

faza de rulare a programului utilizator, n care sunt executate funciile logice,calculele matematice solicitate prin instruciuni.

Timpul de execuie a unui ciclu n ipoteza parcurgerii tuturor instruciunilor (nu seexecut instruciuni de salt) este determinat n principal de urmtorii factori:

- capacitatea de procesare a unitii centrale (uzual 0,6 ms0,22 ms/1komemorie);

- numrul de canale I/O, (0,10,5 ms/16 canale);- mrimea programului utilizator.

ExempluAvnd n vedere caracteristicile tehnice ale unui AP performant pe 16 bii cu maxim 80 module I/O,240 koctei memorie utilizator i o capacitate de procesare de 0,22 ms/K, rezult durata maxim aciclului automatului de:

ms40662201205080Tciclu ,,,

valoare care este n principal determinat de timpul necesar efecturii operaiilor de intrare ieire.

Tendina n controlul industrial este de a utiliza automate programabile cu configuraiisimplificate, plasate lng proces, n locul celor centralizate cu multe canale I/O, alcror program este mai dificil de implementat n practic i eventual de reconfigurat.Ca urmare n realitate chiar AP performante utilizeaz un numr mult mai mic demodule I/O (uzual 610) ceea ce limiteaz i necesarul de memorie pentru programulutilizator la 832 Ko iar timpul real al ciclului de funcionare scade la 610 ms.Modul general de execuie al programelor (sistem operare + utilizator) ncepe cu fazade achiziie a strii intrrilor, a cror valori sunt transferate n memoria RAM de date,urmeaz execuia instruciunilor din programul utilizator iar rezultatele ecuaiilorlogice, calculelor matematice sunt stocate n subzonele corespunztoare din memoriade date. n faza final valorile variabilelor de ieire din memoria RAM sunt transferatecanalelor de ieire, dup care ciclul se reia n conformitate cu figura 2.1.a.:

13

Fig. 2.1. Tipuri de cicluri de funcionare ale automatelor programabile: a. ciclu standard; b. ciclu cuintrri achiziionate grupat i ieiri activate la cerere; c. ciclu distribuit cu activare I/O la cerere

Pentru o vitez mai mare de rspuns canalele de ieire se pot activa la cerere adicimediat ce o funcie logic de ieire a fost rezolvat, figura 2.1.b. sau pentru ointeractivitate mbuntit cu procesul, se achiziioneaz numai intrrile i seactiveaz numai ieirile care intervin n secvena de program aflat n derulare curent,figura 2.1.c. Scderea timpului ciclului AP se poate face i la nivel de programare prinutilizarea n cadrul programului principal a unui numr de subrutine (maxim 60200)care simplific programarea i reduc semnificativ numrul de instruciuni care serepet (memoria utilizat). Organizarea ciclului de funcionare devine mult maicomplicat n cazul n care intervin instruciunile de salt (ne)condiionat respectiv ncazul AP multiprocesor echipate cu module specializate ce efectueaz i calculenumerice (mari consumatoare de timp). n astfel de situaii durata ciclului defuncionare nu mai este constant i pentru a nu se perturba derularea secvenial aprogramului principal, calculele numerice se deruleaz separat pe procesoarespecializate, interogate periodic de procesorul supervizor, urmnd ca la finalizarearezultatelelor acestea s fie folosite. Deoarece n AP multiprocesor ciclul defuncionare este aleator, n funcie de cerinele din proces, o msur eficient decontrol a derulrii secveniale a programului principal const n utilizarea unui punctde control (watchdog timer) care verific reluarea ciclului ntr-un timp maxim permisi evit blocarea programului (subrutinelor) ntr-o eventual bucl infinit prinactivarea programului de autodiagnoz. Acest program este un program de sistemconceput s asigure supravegherea funcionrii corecte a procesorului, transferurilor dedate, alimentrilor.

Citete intrri

Execuieprogram

Scrie ieiri

Citete intrrila cerere

Execuieprogram

Scrie ieirila cerere

Execuieprogram

Scrie ieirila cerere

Citete intrrila cerere

Citete intrri

Execuieprogram

Scrie ieirila cerere

Execuieprogram

Scrie ieirila cerere

c.b.a.

T cic

lu

14

Fig. 2.2. Ciclu de funcionare cu durat aleatoare

Schimbul de informaii ntre diversele module ale automatului se face pemagistrala de date, fiind sincronizat n funcie de semnalul de ceas intern prin comenzitransmise de procesorul central pe magistrala de control. n faza de achiziie aintrrilor, procesorul ruleaz un subprogram al sistemului de operare prin careadreseaz succesiv, prin magistrala de adrese, pentru o perioad de timp determinat,modulele de intrri conectate la senzorii din proces. Strile senzorilor sunt transferatepe magistrala de date n memoria RAM a sistemului. Exist o coresponden riguroasntre adresele imaginilor biilor asociai intrrilor i ieirilor i bornele de racordare acablurilor la regleta automatului. Programul utilizator este executat de unitatea centralsub controlul subprogramelor sistemului de operare. Execuia unei instruciuni deprogram utilizator ncepe prin adresarea locaiei curente a memoriei de program(E)EPROM. Adresa instruciunii curente este pstrat de contorul de program pncnd logica de control l incrementeaz/ncarc la/cu urmtoarea adres executabil.Instruciunea curent este transferat pe magistrala de date ntr-un buffer deinstruciuni (o instruciune poate avea unul, dou sau mai multe cuvinte de memorie).Formatul instruciunii din registrul de instruciuni corespunde formatului general:primii 8 bii codific operaia de executat, urmtorii 3 bii indic tipul operandului(subzona din memoria de date) iar ultimii conin adresa operandului cruia i se aplicoperaia n execuie. n funcie de codul operaiei i tipul operandului, decodorul deinstruciuni va conine adresa de nceput a subrutinei asociate operaiei ce trebuieexecutat de automat i care este stocat n memoria EPROM aferent sistemului deoperare. Procesarea microinstruciunilor subrutinei asigur execuia operaiei curenteal crei rezultat este transferat n subzona corespunztoare memoriei de date. Dupprocesarea logic a ultimei instruciuni a programului utilizator, unitatea centralexecut subrutina sistemului de operare prin care noile stri ale variabilelor de ieiresunt transferate succesiv din memoria de date spre canalele modulelor de ieire pentrua controla strile elementelor de execuie din proces.

Subrutin 1

Subrutin 2

Subrutin 1

Programprincipalsecvenial

instruciune de saltWatchdog

timer

Reset

Programautodiagnoz

15

Fig. 2.3. Execuia instruciunilor n unitatea central

Fig. 2.4. Formatul instruciunilor automatelor programabile

00001 00110010010

00110 00110010010

00001 00110010010

0000

2.048Memorie program

utilizator

magistrala de control

magistrala de date D0Dx

magistrala de adrese A0Ay

00110 00110010010

00110001 10010 0000000000000000 Contor program

Decodor instr.

mag

istr

ale

inte

rne

32bii

EPROMSistem operare

APLogic comand

Registru instruciuni 32 bii

RAM

Imagini IImagini O

Variabile MVariabile TVariabile C

microinstruciunisubrutine

Pcentral

MagistraleAP

00110001100

100

A0A10

D0D31

Controlermagistrale

Adrese/Date ControlUnitatea central

Buffer instruciuni

Date numerice DFuncii F

tip operandtip adresare

adres operandcodul operaiei

32 11617

16

2.1. Asigurarea siguranei n funcionare a automatelor programabile

Garantarea siguranei n conducerea proceselor de automatizare a fost principaluldeziderat impus la proiectarea automatelor programabile iar aceast cerin a fost npermanen mbuntit prin dezvoltarea tehnologiilor. Datorit extinderii utilizriilor n foarte multe domenii, capacitii de a controla ntregi procese industriale, rolulautomatelor progamabile devine din ce n ce mai important iar asigurarea fiabilitii lorun factor esenial mai ales n domeniile cu risc ridicat: industria chimic, nuclear,energetic, controlul traficului feroviar etc. Fiabilitatea AP, capacitatea de afunciona fr defectare sau cu erori, nu poate fi separat de fiabilitatea cerutprocesului automatizat care depinde de urmtoarele elemente: fiabilitatea automatului programabil (uzual de 30.000...40.000 ore de funcionare)

ce este influenat de condiiile de exploatare, concepie, calitatea componentelor,calitatea procesului de fabricaie implementat de productor;

posibilitile programului de automatizare de a rezolva eficient diverse situaiianormale de funcionare n proces care s nu conduc direct la avarii majore:monitorizarea parametrilor de funcionare a tuturor componentelor, urmrireadesfurrii procesului de mentenan preventiv, detectarea manifestrii unordefecte din starea lor incipient;

calitatea componentelor din proces, senzori i elemente de execuie.Diverse studii au artat c n cazul proceselor automatizate cu AP, majoritateadefectelor s-au datorat componentelor de proces i numai 5...10 % automatuluiprogramabil iar pentru acesta 90 % din defecte au aprut la nivelul modulelor I/O.

n sistemele complexe automatele programabile trebuie s asigure i s menin unnivel ridicat de securitate pentru personal i echipamentele principale n cazuldefectrii unor componente indiferent de situaia care poate s apar.

Principii de baz n asigurarea securitii n funcionarea unitii centrale a AP

Unitatea central este cauza a 5...10 % din defectele datorate automatuluiprogramabil, ca urmare atenia constructorilor s-a dirijit spre limitarea efectelorprincipalelor probleme ce apar n funcionarea acesteia: funcionarea anormal a procesorului; corectitudinea datelor memorate sau schimbate ntre componentele sistemului; ntreruperile i perturbaiile surselor de alimentare.

Unitatea central funcioneaz pe baza unui program intern aflat ntr-o zon dememorie securizat pe nivele de prioritate (service, productor), inaccesibilutilizatorului. Pentru a preveni o posibil exploatare incorect orice tentativ deaccesare nepermis a acestei zone este blocat i se transmite simultan un cod deeroare care dac este repetat poate conduce la blocarea definitiv a automatuluiprogramabil. Toate unitile centrale dispun n prezent de un program de autodiagnoza integritii funcionale a componentelor hardware care este lansat la punerea suntensiune a echipamentului i la nceputul fiecrui ciclu de program. Dac rezultatul

17

este corespunztor n ceea ce privete fucionalitatea i timpul de rspuns sistemul estedeclarat funcional, n caz contrar acesta este considerat defect i un mesaj de eroareeste stocat ntr-un registru special pentru a permite depanarea ulterioar. Bunadesfurare a instruciunilor de program este monitorizat de un modul de control isecuritate independent de cel al unitii centrale (watchdog timer) care supravegheazla sistemele evoluate timpul de desfurare a unei instruciuni sau a unui transfer dedate. Probleme apar n special la instruciunile de calcul matematic (mpriri prinzero, depire a capacitii unui registru), la schimburile de informaii n sistemelemultiprocesor cnd se ateapt n bucl rezultate ale unor funcii specializate sau datede la traductoare care au fost perturbate pe liniile de transmisie i nu pot fi cititecorect.

Funcionarea corect a unui proces automatizat este dependent de corectitudineainformaiilor primite i transmise de sistemul su de control (AP). Din acest motivcalitatea datelor transmise este verificat la fiecare etap de manipulare prin adaugareaunuia sau a mai multor bii de control. n cazul transferurilor interne de date delungime redus (2...3 bytes) din uniti de memorie fiabile, de dimensiune redus (zeciKo) este suficient utilizarea unui bit de control paritate (BP) adugat la sfritulmesajului. Acesta este setat la valoarea 1 dac numrul de bii cu valoarea logic 1 estepar respectiv la valoarea 0 dac este impar. La recepie este verificat paritateamesajului primit cu cea transmis iar n caz de eroare se solicita retransmitereamesajului original. Probabilitatea de transmitere simultan a dou erori succesive,nedetectabile de aceast metod de control, este de 10-9. n cazul sistemelor ceutilizeaz memorii de date ce depesc 1 Mo probabilitatea de defect a unor locaii dememorie sau de transmisie eronat a unor date este mult mai mare i din acest motiv seadaug la fiecare transmisie un cod de verificare pe mai muli bii. La recepie seutilizeaz algoritmi de detecie a erorilor de transmisie sau algoritmi mai performanice permit detecia a doi bii transmii greit respectiv autocorecia a maxim unui bit(peste aceste limite se solicit retransmiterea mesajului). n cazul transmisiei unorpachete de date n reea, se utilizeaz algoritmii check sum sau CRC (CyclicRedondance Control). Ultimul algoritm este foarte sigur deoarece zona de control adatelor se obine ca rest al operaiei de divizare a unui polinom cu n+1 termeni 01

22

11 ... axaxaxaxaxP

nn

nn

nn

, asociat mesajului de (n+1) bii ce trebuie

transmis ...0,1,1),11....110( 21 nnn aaaM , la un polinom de referin. Restuln format binar, obinut dup reconversia conform regulii menionate, este ataatpachetului de date transmis i este comparat cu restul rezultat din prelucrareamesajului sosit la destinaie care trebuie s fie identic la o transmisie corect.

Pentru a evita perturbarea adreselor de destinaie sau coninuturilor mesajelor, severific periodic i funcionarea magistralelor de date i adrese.

Securitatea n cazul cderii sursei principale de alimentare este asigurat printr-unprogram de monitorizare a nivelului tensiunii, capabil s declaneze n timp utilprocedura de salvare a valorile variabilelor eseniale pentru proces (predefinite deprogramator), regitrilor unitii centrale ntr-o zon special de memorie aautomatului. Datele eseniale pentru program pot fi pstrate n memorie un timpndelungat datorit unui sistem de alimentare de siguran cu acumulator. n funcie defacilitile automatului i opiunea programatorului, la revenirea tensiunii dealimentare, programul poate fi reluat automat de la nceput, reiniializat din punctul n

18

care a fost oprit sau repornit dintr-un punct de control specificat de programator.Ca echipament electronic ce lucreaz cu semnale de nivel sczut, unitatea central

a automatului programabil este sensibil la aciunea unor medii industriale n care semanifest intense cmpuri electromagnetice sau electrostatice care pot induce nconductoarele de legatur semnale parazite comparabile ca nivel cu semnalele cu carelucreaz componentele acestuia (coninutul unei locaii de memorie RAM poate fiastfel modificat din 0 n 1 i s se transmit o comand fals: pornirea unui motor,nchiderea unei electovane etc.). Viteza mare cu care ruleaz un program, de ordinulzecilor sau sutelor de ms, permite corectarea rapid a unor astfel de evenimente ntr-untimp mult mai scurt dect timpul de acionare al unui element de execuie. n cele maimulte cazuri astfel de perturbaii nu produc efecte directe mai ales dac se folosescmsuri preventive de deparazitare electromagnetic a elementelor de comutaie acurenilor mari (grupuri RC paralel, diode).

Asigurarea siguranei pentru canalele de intrare-ieire

Verificarea funcionrii sigure a canalelor de intrare ieire revine unitii centraleconsiderat cu un nivel de fiabilitate superior. Cea mai simpl modalitate de verificarea intrrilor atunci cnd exist suspiciuni privind corecta lor fncionare const nlansarea unui program de test ce realizeaz decuplarea intern a acestora i conectareala anumite canale de ieire. Secvena de semnale furnizat de canalele de intrare estecomparat cu secvena de rspuns aflat n memorie i permite identificarea canaluluide intrare defect. Foarte rspndit este achiziia multipl a semnalului de intrare prinminim dou msurtori succesive care trebuie s fie identice pentru a fi transmise.Deoarece citirea semnalelor se face la intervale de timp de ordinul milisecundelor nueste posibil schimbarea strii variabilei de intrare care practic are o constant de timpmult mai mare (activarea unui buton de ctre un operator necesit un timp de minim500 ms, nchiderea unui contact de releu 40...50 ms). n cazul n care citirea nu d unrezultat pozitiv se repet citirea de cteva ori i dac nu se obine constana rezultatuluise consider canalul de intrare defect. La detectarea unor canale defecte programul valua n considerare canalele redondante (de rezerv) care dubleaz acele canaleconsiderate de maxim importan n controlul procesului (soluie mai scump).

Pentru canalele de ieire se compar starea ieirii retransmis unitii centrale defiecare canal cu cea rezultat din program. Dac nu exist coresponden seretransmite starea corect canalului de ieire de 5 ori dup care acesta este consideratdefect i se foreaz n starea de securitate (starea 0 sau 1 pentru a nu produceeventuale avarii).

Automate programabile cu nivel de securitate ridicat

Reglementri ale CEE/98/37 au impus criterii superioare de securitate n sistemelede automatizri controlate de automate programabile industriale (standard): un defectlocalizat la nivelul logic al circuitelor de comand (AP) sau deteriorarea acestuia nutrebuie s creeze situaii periculoase pentru personal sau echipamente. Din acest

19

motiv, pentru anumite domenii de activitate cu risc foarte ridicat sau anumiteechipamente cu funcionare periculoas pentru operator (prese hidraulice, maini deprelucrare a lemnului etc.) productorii au dezvoltat o clas special de automateprogramabile cu funcii de securitate mbuntite APDS, capabil s rspundurmtoarelor cerine: controlul funciilor de securitate este realizat separat de controlul funciilor de

proces; funciile de securitate implementate de productor sau furnizorul aplicaiei la

nivelul procesului de producie nu pot fi modificate de utilizator; utilizatorul are acces i poate modifica numai funciile sau parametrii care definesc

propriul proces de producie; partea din program care gestioneaz securitatea procesului trebuie validat n

totalitatea ei de o autoritate competent care s certifice funcionareacorespunztoare cu risc minim n toate cazurile anormale previzibile ce pot apare.

Soluia cea mai simpl i mai ieftin o reprezint tratarea separat a semnalelor careindic situaii de pericol pentru personal sau echipament i acordarea unui nivel deprioritate superior acestora n raport cu comenzile AP standard astfel nct defectareaautomatului s nu afecteze nivelul de securitate al procesului:

Fig. 2.5 Arhitectur de comand cu separarea funciilor de securitate

Noile arhitecturi de automate programabile de securitate au trebuit s asigurefuncionarea sistemului de securitate n condiiile n care unele componente suntdefecte sau funcioneaz cu erori. Datorit cerinelor specifice s-au adoptat arhitecturiAPDS care s acopere urmtoarele dou direcii principale de aplicaii: aplicaii de comand a proceselor industriale complexe n care esenial este

meninerea controlului asupra procesului, chiar dac anumite componente sausisteme de reglare sunt distruse, astfel nct acesta s continuie s evolueze ctre ostare sigur;

aplicaii de comand a unui utilaj, caz n care sistemul trebuie s asiguresecuritatea personalului i echipamentelor n cel mai scurt timp din momentuldeclanarii unei situaii periculoase.

Diferenele fundamentale ntre aplicaiile de referin au impus realizarea unorarhitecturi de automate i a unor programe de securitate diferite.

API (standard)intrri din proces

elemente de execuiecu nivel de pericol

ridicatModul desecuritate

intrri de securitate

iesire de securitate

20

Arhitecturi APDS pentru comanda proceselor industriale. Automateleprogramabile de acest tip au la baz o arhitectur redondant de ordinul 3 cucomparaie de coinciden sau o arhitectur redondant de ordinul 2 cu identificare azonei defecte prin teste de diagnoz. Ambele soluii pot iniializa proceduri de urgeni semnalizare dup detectarea zonei defecte prin care s se restabileasc funciile debaz ale procesului cu monitorizarea sa i garantarea desfurrii conform normelor desecuritate. Arhitectura din figura 6.47. utilizeaz trei uniti independente cu uniticentrale CPU1,2,3 echipate cu procesoare echivalente ale unor productori diferii.Fiecare unitate central ruleaz sincron acelai program. Intrrile de proces pot fiverificate prin conectarea i activarea ieirilor ntr-o secven de test predefinit.Ieirile de proces sunt validate numai dac rezultatul funciei logice pe fiecare din celetrei canale este identic, n caz contrar canalul cu rezultat diferit fa de celelalte doueste considerat defect i funcionarea sa este blocat. n cazul unui defect internautomatul se poziioneaz n stare de securitate i controlul procesului este asiguratpn la depanarea defectului de celelalte dou procesoare. Pentru canalele de securitatea procesului se utilizeaz aceeai strategie de validare pentru a preveni oprireaprocesului n cazul unei sesizri greite date de un senzor sau un buton de comand.

Fig. 2.6 Arhitectur de comand redondant pentru comanda proceselor industriale

Dac alarma de securitate este validat n funcie de gravitatea situaiei sistemul trecen regim de avarie cu reconfigurarea modului de funcionare astfel nct echipamentelece pot funciona n siguran s asigura continuitatea procesului. Astfel se pot prevenieventuale defecte mai mari ce ar putea surveni n cazul unei opriri de urgennecontrolate a ntregului proces industrial.

Arhitecturi APDS pentru comanda utilajelor. Pentru asigurarea unui nivel desecuritate corespunztor, cu timp de rspuns minim, sunt suficiente arhitecturileredondante de ordinul 2, total independente ce utilzeaz aceleai informaii de intrare.

21

La funcionarea normal ieirile se valideaz numai dac exist coinciden ntredeciziile de control ale unitilor centrale. La detectarea unui defect pe ieiri, unitateadefect se blocheaz iar ieirile sale se activeaz n 1 logic pentru a permite unitiivalide s preia controlul prin poarta logic I aflat la ieirea fiecrui canalcomparator.

Fig. 2.7. Arhitectur de comand redondant pentru comanda utilajelor

22

3. Principii de programare a automatelor programabile

Rularea ciclic a programului aplicaie n automatele programabile a impusfolosirea unor principii de programare diferite de cele utilizate n mod curent deinformaticieni chiar dac, n prezent, setul de instruciuni al ambelor sisteme estefoarte apropiat Automatele programabile dispun de un set de instruciuni de bazfoarte puternic (chiar pentru seriile microAP) care totalizeaz 100150 funcii, la carese adaug n funcie de clas i echipare noi instruciuni specifice modulelorspecializate.

Primul limbaj de programare dezvoltat de constructorii de AP a fost limbajul cucontacte care este utilizat i n prezent datorit similitudinilor cu schemele electrice deacionare, fapt ce faciliteaz exploatarea i nelegerea programului de un personal frpregtire superioar. Funciile logice realizate tradiional prin conexiuni complexentre diversele contacte ale echipamentelor electrice sunt nlocuite prin funcii logicestabilite ntre variabile de program, crora li se asociaz strile mrimilor fizice dinprocesul controlat. Mrimile din proces sunt variabile de intrare I, variabie de ieire O,variabile interne de memorie M, contoare de evenimente C, canale de temporizare T,regitri de date R, la care se adaug variabilele de sistem S proprii automatului, fiecareavnd un rol funcional bine precizat i stabilit de proiectant n tabelul de alocarevariabile conform exemplului prezentat n Tabelul 3.1.:

Exemplul 1. Modul de organizare i asociere a variabilelor din programul AP.

Tabelul 3.1. Tabel alocare variabileSimbol aparat

n schemaelectric

Variabilasociat

Datevariabil

Rol funcional n proces/program

S1 I000 1 bit (hard) Selector ciclu funcionare n mod Manual

S23 I035 1 bit (hard) Senzor confirmare prezen pies n post gurireI035I048 Neutilizat

K1 O000 1 bit (hard) Contactor trifazat pornire motor band rulant M1 Y1 O011 1 bit (hard) Distribuitor hidraulic rotire mas transfer flux1

O012O016 Neutilizat- C000 16 bii (soft) Contor (nainte) numrare piese bune

C008C255 Neutilizat- T000 16 bii (soft) Temporizator (acionare) impuls ungere ghidaj

M000 1 bit (hard) Stare intermediar avarie sistem ventilaieS50 R000 10 bii (hard) Valoare digital poziie mas indexat1 (freze) de

la traductor absolut poziie- S000 1 bit Indic baterie descrcat CPU setri firm

P1 AI001 16 bii (hard) Intrare analogic senzor temperatur cuptor1V6 AO001 16 bii (hard) Ieire analogic prescris turaie motor avans6 Continuare

Tehnica limbajului cu contacte conduce la diagrame n scar (Ladder Diagram)simplu de neles, de urmrit ca funcii logice i n consecin uor de depanat. Scriereaprogramului se face linie cu linie de la stnga la dreapta i n ordinea execuiei. Pentru

23

editarea programului se utilizeaz programe de firm (firmware) care au capacitatea dedetectare a erorilor, permit inserarea de comentarii pentru a facilita nelegereainteniilor programatorului i pot efectua translarea automat a schemelor logice cucontacte n instruciuni specifice automatului (Instructions List). Principalele funciilogice (Bit Operation Functions) i semnificaia lor sunt prezentate n Tabelul 3.2.

Tabelul 3.2. Principalele funcii logice utilizate pentru programarea APSimbol electric Simbol AP

Ladder DiagramSimbol AP

Instructions ListSemnificaie n program

LOAD I001 ncrcare acumulutator cu stareavariabilei (de tip I, O, C, T, M, R, S)

LOAD NOT I004 ncrcare acumulutator cu stareanegat a variabilei

LOAD I001OR T002

SAU logic ntre varibile binare(word), rezultatul memorat nacumulator (registru date)

LOAD I001AND M002

I logic ntre variabile binare (word),rezultatul memorat n acumulator(registru date)

LOAD R001XOR R002OUT R003

SAU EXCLUSIV ntre variabileword, rezultatul memorat n registrulR003

LOAD condiieSETBIT R001

003CLEARBIT R001

005

Activare n 1 logic/tergere 0 logic, abitului variabilei word de la intrareaIN, menionat prin valoarea constanteisau coninutul registrului de laintrarea BIT.

vezi exemplul 3

Comutator secvenial cu deplasare nfuncie de intrarea DIR. Bitul precizatde valoarea intrrii STEP este setat n1 iar ceilali bii ai registrului de lucrude la ST sunt setai n 0. Deplasareabitului activ n R006 se face n limitavalorii registrului de control R031=10

Exemplul 2. Blocul reprezentat de funcia logic XOR WORD realizeaz funcia SAU EXCLUSIV ntrecuvintele de memorie aflate la adresele R001 i R002, de fiecare dat cnd condiia I001= 1 esteadevrat. Rezultatul procesat este memorat n locaia de memorie cu adresa R003. De la un ciclu laaltul coninutul locaiilor de memorie aflate la adresele R001 i R002 se poate schimba.

S1 I001

S4 I004

S1

KT2

I001

T002

S1 K2 I001 M002

XORWORD

Econdiie

IN1R001

IN2R002 Q

R003OK

NB 3

SET BITWORD

Econdiie

INR001

BIT(R042)

OK

R030R032

BIT SEQ10

Econdiie

RM001

DIRM002

R006

OK

STEPNB2

ST

24

Fig. 3.1. Funcia logic SAU EXCLUSIV

Exemplul 3. Realizarea unui comutator secvenial pas cu pas ce seteaz succesiv, n mod sincron, biiiregistrului de lucru R006 care activeaz canalele de ieire asociate elementelor de execuie cecomand un proces ciclic. Blocul comutator este activat de un semnal de tact Q000 provenit de la ungenerator de impulsuri cu frecvena reglabil (vezi exemplul 6). Semnalul de pornire n ciclu este datde intrarea I000 activat la apsarea butonul de start (fr reinere) i care produce resetarea biilorregistrului de lucru R006 mai puin a bitului 1 care este setat n starea 1 logic. Modul de parcurgere asuccesiunii de micri este determinat de activarea/dezactivarea variabilei de memorie M002, careasigur incrementarea/decrementarea pasului curent, memorat n registrul de control pas curentR030. Acest registru poate fi setat ca retentiv astfel nct la oprirea procesului ciclic, poziia curent(numrul pasului) este salvat n memoria de date. La pornire, valoarea acestui registru estetransferat automat intrrii STEP prin care se seteaz numrul pasului de pornire (prin definiie este1). Numrul de pai este stabilit de valoarea registrului de control mrime secven pai R031=10.

3.2. Comutator secvenial pas cu pas utilizat pentru comanda unui proces repetitiv

Funciile de ieire (Relay Functions) asigur activarea canalelor de ieire prinintermediul crora sunt comandate elementele de execuie: bobine contactoare, relee,

R003

XORWORD

E

IN1R001

IN2R002Q

OK

I0011 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1

1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1

0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0

R001R002

R003

Coninut memorie RAM

I001 confirmare rotire stnga ;I002 confirmare ridicare ;I003 confirmare avans ;I010 confirmare rotire dreapta .

I000

Ridicare

R030R032

BIT SEQ10

E

R

DIR

R006

OK

STEP

ST

Q000

M002

R006.1 Q001Rotire stnga

R006.2 Q002

R006.3 Q003Avans

I001

I002

I003

R006.10 Q010I010Rotire dreapta

25

bobine distribuitoare hidraulice, pneumatice, servomotoare, lmpi semnalizare. nprocesul de automatizare este uneori necesar s se menin starea variabilelor de ieirei la apariia unei situaii de avarie determinat de ntreruperea alimentrii cu energiesau la modificarea modului de funcionare Run Stop Run. Pentru aceste situaii esteposibil s se rein starea variabilelor de ieire prin setarea acestora de tip retentiv.Starea curent a variabilelor retentive (numai de tip O, M, R, AO) este salvat nmemoria de date protejat, prin alimentarea de la o surs suplimentar sausupercapacitor ce asigur o autonomie de cteva luni.

Tabelul 3.3. Principalele funcii de ieire utilizate pentru programarea APSimbol electric Simbol AP

Ladder DiagramSimbol AP

Instructions ListSemnificaie n program

OUT O001Activare variabil ieire asociat (O,M, S, R, G) fr reinere stare nmemorie dup oprire sau defect PLC

OUT R001Activare variabil ieire asociat cureinere stare n memorie dup opriresau defect PLC (variabil tip retentiv)

OUT O001Activare variabil ieire asociat dacn ciclul anterior condiia de activare afost 0 iar n ciclul curent este 1

OUT O001Activare variabil ieire asociat dacn ciclul anterior condiia de activare afost 1 iar n ciclul curent este 0

SET M003Activare variabil ieire asociat pecondiia de activare i meninere pnla o comand RESET

RST M003Dezactivare variabil ieire asociatpe condiia de activare i meninerepn la o comand SET

Exemplul 4. Comanda i protecia termic a unui motor electric de curent continuu. Pornireamotorului se face prin acionarea butonului S1 cruia i s-a asociat variabila de intrare I000 iactivarea ieirii O000 ce alimenteaz bobina contactorului K1. Oprire motorului se face la acionareabutonul S2 (I001) sau la suprasarcin cnd se activeaz automat protecia termic F2(I002).

Fig. 3.3. Diagrama cu contacte i secvena de cod pentru programul de comand a unui motor

O001K1

R001MTIP Word data

Traductor poziie

O001

O001

M003

S

H1Avarie rcire

H1Avarie rcire M003

R

I000

O000

I001 I002 O000

00 LOAD I000 Acionare buton pornire S1 (intrare I000);01 OR O000 SAU automeninere prin ieire O000;02 AND NOT I001 I neacionare buton stop S2 (intrare I001);03 AND NOT I002 I neacionare protecie termic F2 (intrare I002);04 OUT O000 Alimentare bobin releu K1 (activare ieireO000).

S1

F2

K1

F1

M1M=

K1

F2

S2

K1

26

Dezvoltarea programelor complexe necesit utilizarea unor funcii de control aderulrii fluxului de instruciuni (Control Functions). Acestea au rolul de a simplificaoperaiile de programare, ofer claritate i posibiliti sporite de implementare idepanare a aplicaiilor.

Tabelul 3.4. Principalele funcii de control utilizate pentru programarea APSimbol electric Simbol AP

Ladder DiagramSimbol AP

Instructions ListSemnificaie n program

DO IO

Funcia asigur citirea la cerere, peparcursul unui ciclu, a unui grup deintrri sau ieiri ncepnd de la adresaindicat la ST i pn la cea indicatla END. Dac este specificat o adresla ALT noile valori ale intrrilor suntmemorate aici, sau pentru ieiri sunttransferate de aici.

LOAD I001CALL Sub1

Execuia unei subrutine Sub1 urmatde revenirea n program lainstruciunea urmtoare

LOAD I001JMP eticheta1

Salt codiionat de starea variabileiI001, peste un numr de instruciuni,pn la adresa menionat

MCS 4Secvenautomatizare

LOAD I002MCS 4

Lansarea condiionat n execuie asecvenei de control numrul 4 (setinstruciuni), la activarea variabilei deintrare I002

SecvenautomatizareENDMCS 4

OUT O022ENDMCS 4

Marcarea sfritului secvenei decontrol numrul 4

END Marcarea sfritului de program

Exemplul 5. Secvena de control MCS0 este activat de intrarea I000 i determin execuiacondiionat a instruciunilor care urmeaz pn la ENDMCS0. n lipsa condiiei de validare,instruciunile sunt executate cu dezactivarea ieirilor (Q001 = 0) mai puin pentru canalele de ieirecu stare setat care i menin starea (dac Q002 este setat activ, rmne Q002 = 1).

Fig.3.4. Diagrama cu contacte pentru o secven de control

ENDMCSn

n = 07

(R001)

DO IO

condiie

STI007

ENDI011

OK

ALTM001

I001>> eticheta1

I001

CALLSub1

MCSn

n = 07I001

END

MCS0

I000

T003

Q001

Condiie activare secven MCS0, I000=1

Q001=I000*I001

Q002

I001

I002S

ENDMCS0

Q002=1

Sfrit secven control MCS0

27

Pentru controlul unor etape ale proceselor de automatizare foarte important estecontrolul precis al timpului ct acestea sunt active sau inactive. Din acest motivautomatele programabile dispun de diverse tipuri de canale de temporizare a crorbaz de timp poate fi setat ntr-un interval larg: 0,01 s1 (60) s. Pentru numrareaevenimentelor din proces (numr de cicluri, piese bune, piese rebut, , etc.) se utilizeazcontoare de evenimente cu numrare ntr-o singur direcie (nainte sau napoi)respectiv cu numrare n ambele direcii (la evaluarea numrului de pai elementariefectuai n operaiile de poziionare a axelor ).

Tabelul 3.5. Principalele funcii de temporizare, numrare utilizate pentru programarea APSimbol electric/

SemnalSimbol AP

Ladder DiagramSimbol AP

Instructions ListSemnificaie n program

LOAD T001_10MSOUT Q011 (5 ms)

Impuls cu durat fix i DA = 50 %:0,01 s; 0,1 s; 1 s; 60 s.

LOAD I020D Q011

LOAD I020D NOT Q011

Impuls activat pe frontulcresctor/descresctor al uneivariabile (senzor activ un timp foartescurt risc s nu poat fi citit).Impulsul este valid numai pe durataciclului n desfurare.

LOAD I003TON T001

40LOAD T001OUT Q005

Canalele de temporizare (TON,TOFF, TMR, TMON) genereaz unanumit tip de ntrziere, fa demomentul validrii condiiei dedeclanare, dat de baza de timpselectat i valoarea presetat PV.

LOAD I008CTU C001

10LOAD C001OUT Q005

Contoarele cu numrare nainte,napoi sau n inel, numrevenimentele pn la valoareapresetat PV, moment n care esteactivat ieirea Q. Resetareacontorului se face la activarea intrriiR sau la depirea valorii setate(CTR). Ieirea CV contorizeazvaloarea curent din numrtor.

LOAD I000AND NOT I001CTUD C002

20LOAD C002OUT Q005

Contoarele cu numrare nainte inapoi, numr evenimentele ntr-unsens sau cellalt n funcie de condiiade intrare activat. Dac valoareapresetat PV este egal cu valoareanumrat se activeaz ieirea Q.

LOAD I001HSC Q001

Numrtoarele de mare vitez HSCutilizeaz o intrare de numrare Cpentru semnale de frecven ridicat(10 kHz) i o ieire Q activat nfuncie de modul de lucru setat prinprogramarea registrelor: limite denumrare LL, HL, valoare activareieire ONP, valoare dezactivareOFFP, baz timp TB, presetare PV

T001_10MS

T_xxxx

Q011

Tciclu AP

DI020 Q011

DNOTI020 Q011

T001

TON0,1x40condiie

Rcondiie

PV17

Q

CV40

T1

T2

C001

CTU(CTD;CTR)condiie

RM003

PV3

Q

CV10

UP/D

C002

CTUD

condiie1

RM004

PV8

Q

CV20

condiie2UP

D

AR030

HSCcondiie

LLR001

PV

R004Q

ONP

R003

C

HLR002 R005OFFP

R006TB

28

Exemplul 6. Realizarea unui generator de semnal cu factor de umplere reglabil prin utilizarea unuicanal de timp cu temporizare la acionare T001 (regleaz timpul t1) i a unui canal de timp cutemporizare la revenire T002 (regleaz t2).

Fig.3.5. Diagrama cu contacte i secvena de cod pentru un generator de semnal

Operaiile matematice sunt indispensabile n realizarea programelor complexe carenecesit efectuarea unor calcule pentru determinarea deplasrilor reale, calcululadaptiv al parametrilor de proces prin utilizarea unor formule fizice, etc. Unitateacentral a automatelor programabile actuale dispune de funcii matematice suficient deputernice astfel nct s execute calculele solicitate n controlul proceselor deautomatizari industriale.

Tabelul 3.6. Principalele funcii de matematice utilizate pentru programarea APSimbol electric Simbol AP

Ladder DiagramSimbol AP

Instructions ListSemnificaie n program

LOAD I005ADD

Funciile matematice standard sunt:Adunarea (ADD) , Scderea (SUB),nmulirea (MUL), mprirea (DIV),Calcul rest (MOD). La validareacondiiei se efectueaz operaia asupraoperanzilor de la intrrile IN1 i IN2.Dac rezultatul calculelor de la ieireaQ se ncadreaz n domeniul de calculse activeaz ieirea OK.

LOAD I001ASIN (0.2)

Funciile matematice specialeacioneaz asupra unui singuroperand: Radical (SQRT), Sinus(SIN), Cosinus (COS), Tangent(TAN) i inversele lor, Logaritm(LOG), Exponenial (EXPT),Conversie (RAD/DEG).Funcia Scalare (SCALE) msoardomeniul de variaie OHI, OLO, alunei mrimi analogice ce acioneazasupra intrrii IN. Domeniul de lucrueste definit de valorile IHI, ILO.Ieirea Q conine valoarea curent.

I000

END

Q001

LOAD I0 Validare generator semnal;ANDNOT T2 Condiie lansare temporizare T1;TON T1 Setare parametri canal

40 temporizare T1 la 4 s;LOAD T1 Citire stare canal timp T1;TOFF T2 Setare parametri canal

20 temporizare T2 la 2 s;LOAD T2 Citire stare canal timp T2;OUT Q1 Validare ieire dac T2=1;END Sfrit program.T002

T002T001

TON0,1x40

Rcondiie

PV

Q

CV40T002

TOFF0,1x20

Rcondiie

PV

Q

CV40

T001

ADDINT

condiie

IN1R003

IN2R023

QK

Q10

ASIN

condiie

INR023

QK

Q0.2

SCALEINTcondiie

ILOR121

OHI R023

QK

QR122

IHIR120

OLOR123

INAI004

29

Funcile matematice opereaz numai cu operanzi de acelai tip (16 sau 32 bii) iarrezultatele trebuie memorate n zone de memorie sau regitri cu aceeai mrime,pentru care s-a precizat tipul de variabil: tip ntreg cu semn (INT), tip ntreg cu semnn dubl precizie (DINT), tip real (REAL).

Exemplul 7. Calculul restului REST mpririi numrului de piese sortate i verificate NSORT, aflaten containerul de ambalare, la numrul de piese dintr-o cutie de ambalaj NCUTIE. Rezultatulmpririi este memorat n registrul R023 utilizat ca valoare presetat pentru numrtorul nainteC001 care numr (intrarea I022) cutiile ambalate ce trec spre magazia de stocare. Valoarea curenta cutiilor ambalate este stocat n memoria cu reinere M041. Sfritul fazei de ambalare estesemnalizat de activarea ieirii Q021 care permite trecerea la faza urmtoare a procesului.

Fig.3.6. Diagrama cu contacte pentru o secven de calcule matematice

Utilizarea senzorilor inteligeni, a modulelor inteligente, a sistemelor decomunicaie prin reele industriale presupune i realizarea schimbului de date,procesate n diverse formate, ntre aceste module i unitatea central. Funciile carefaciliteaz i controleaz transferurile de date sunt Funciile de Transfer Date (MoveData).

Tabelul 3.7. Principalele funcii pentru transferul datelor utilizate la programarea APSimbol electric Simbol AP

Ladder DiagramSimbol AP

Instructions ListSemnificaie n program

LOAD I005MOV R020

R030

Funcia Deplaseaz date (MOVExxxx), copie o dat (n format bit)dintr-o locaie de memorie specificatla intrarea IN n locaia de destinaiespecificat la ieirea Q.

LOAD I001BLKMV R023

Funcia Deplaseaz bloc (BLKMVINT) copie un bloc de date format dinapte constante, de la intrrileIN1...IN7, n locaiile de memoriecorespunztoare, ncepnd cu locaiade memorie indicat la ieirea Q.

MODINT

IN1NSORT

IN2REST

QK

QNCUTIE

END

I022

T001

C001

CTU

M

RM003

PV4

Q

CVR023

UPM041

Q021

DIVINT

IN1NSORT

IN2R023

QK

QNCUTIE

Calculul numrului de cutii R023 i alpiselor bune neambalate REST;

Sfrit faz curent de ambalare;

Numrare cutii ambalate stocate n magazie;

MOVEWORD

2condiie

INR030

QK

QR020

BLKMVINTcondiie

IN2CON2

IN3 R023

QK

QCON3

IN1CON1

IN4CON4

IN5CON5

IN6CON6

IN7CON7

30

LOAD I001BLKCLR R020

Funcia terge bloc (BLKCLRWORD) terge datele din memoriencepnd de la adresa indicat laintrarea IN, pe o lungime egal cuvaloarea de definiie a variabilei.

Bloc comand (IN):

adr lungime blocadr+1 cu/fr confirmareadr+2 stare pointer mem.adr+3 offsetadr+4 timp stare activadr+5 timp comunicaieadr+6 date transmiseadr+133

Aceast funcie asigur comunicaiaUC cu modulele specializate. Lavalidarea funciei, blocul de comanda crui adres de nceput se gsete laintrarea IN este transmis ctremodulul a crui adres (rack/slot) estespecificat la intrarea SYSID. Portulutilizat pentru comunicaie estespecificat la intrarea TASK. O eroarede comunicaie activeaz ieirea FT.

BLKCLRWORD

condiie

IN

QKR020

COMMREQcondiie

INR001

TASK

FT

R003

C

SYSIDR002

31

4. RETELE DE DATE

Clasificarea retelelor

Fiecare retea de calculatoare se ncadreaza ntr-una din urmatoarele categorii: retelelocale de calculatoare (Local Area Networks - LAN) si retele de arie larga (AreaNetworks - WAN). O retea locala consta de obicei dintr-un grup de calculatoare plasatentr-o singura cladire sau ntr-un complex de cladiri. De exemplu, calculatoarele utilizatentr-un campus universitar sau ntr-o fabrica pot fi conectate ntr-o retea locala. O reteaWAN cuprinde calculatoare care se pot afla n diverse colturi ale unui oras sau ale lumii.Diferenta principala dintre retelele locale si cele de arie larga tine de tehnologiile utiizatepentru stabiirea cailor de comunicatie. (De exemplu, legaturile prin satelit sunt adecvatepentru retele WAN, dar nu si pentru retele LAN). n prezent, programele care trateaza acestediferente sunt izolate de regula ntr-o mica parte a pachetului software global de retea, asaca din punct de vedere software deosebirile dintre retelele locale si cele de arie larga devindin ce n ce mai nesemnificative.

Alt criteriu de clasificare a retelelor de calculatoare este alcatuirea retelei dinhardware si software produs de un furnizor unic sau implementarea ei ca un conglomeratde produse de la diversi fabricanti. Retelele din primul tip sunt denumite uneori retelenchise (sau retele proprietare), iar cele din al doilea tip sunt cunoscute sub numele de reteledeschise. De fapt, termenul deschis se refera la faptul ca specificatiile pentru componenteleretelei sunt deschise pentru public, ceea ce conduce la compatibilitatea dintre produse alediferitior furnizori, implicndu-se astfel faptul ca reteaua consta din dispozitive siprograme din surse aflate n competiti). Retelele nchise sunt o prezenta mult maiobisnuita n cadrul retelelor locale, deoarece n acest caz ntreaga retea este utilizata deregula de catre o singura organizatie, n schimb, retelele de arie larga tind sa fie reteledeschise, deoarece includ adesea organizatii diferite, fiecare dintre ele avnd propriul sauechipament. Reteaua Internet este un sistem deschis, comunicatia prin Internet este realizataprin intermediul unui ansamblu deschis de standarde, cunoscut sub numele de suita deprotocoale TCP/IP1.

O alta metoda de clasificare a retelelor de calculatoare se bazeaza pe topologie, adicape modul n care sunt conectate calculatoarele. Figura 10 reprezinta cteva dintretopologiile uzuale: inel (ring), n care calculatoarele sunt conectate circular; magistrala(bus), n care calculatoarele sunt conectate printr-o linie de comunicatie comuna, denumitamagistrala; stea, n care o masina serveste drept conector (hub) la care sunt cuplate toatecelelalte calculatoare; si topologie neregulata, n care calculatoarele sunt conectate ntr-unmod aparent aleator. Topologia neregulata este frecventa n cazul retelelor de arie larga, n timpce topologiile de tip inel si magistrala se ntlnesc de obicei n mediile locale, n carerealizarea retelelor cade de obicei sub o autoritate unica.

32

(b) Topologie de tip magistrala

c) Topologie de tip stea

Figura 4.1. Topologii de retele de calculatoare

4.1. REELE DE TEREN(SENZORI I ELEMENTE DE EXECUIE)

Reelele de teren sunt utilizate pentru achiziia datelor din proces i transmisia comenzilorctre elementele de reglare. Reelele ASi utilizeaz un protocol industrial simplu de operat,au pre de cost redus se pot conecta la un automat programabil iar acesta poate fi conectat lanivelul ierarhic superior, printr-un modul gateway, cu alte reele ce lucreaz cu protocoale dereea diferite: DeviceNet, Foundation Fieldbus, Modbus, Profibus.Reeaua fizic utilizeaz un cablu plat cu dou conductoare prin care se transmit date i serealizeaz i alimentarea cu energie electric a dispozitivelor de teren. Conectarea senzorilorsau modulelor de conexiune la reea se face foarte simplu prin utilizarea unor elemente deconectic speciale. Cablurile de conexiune se realizeaz la tensiunile de 30, 60, 240 V.

(d) Topologie neregulata (retea)

33

Fig. 4.2. Cablu de reea ASi

Reelele AS-I utilizeaz un modul master pentru controlul automat (ciclic) al schimbului dedate n reea, fr a mai fi necesar instalarea unui software special. Modulul master poatedialoga cu 31 sclavi (la care se pot lega maxim patru dipozitive de teren) i parcurge un ciclude citire a datelor de reea n 5 ms. Lungimea maxim a unui segment de reea este de 100 mi reeaua poate fi extins prin segmentare, prin utilizarea repetoarelor (200 m) sau atunerelor de reea.

Fig. 4.3. Reea de teren ASi

Elementul de baz care confer flexibilitate reelei ASi este circuitul digital de interfa ASIC carepoate fi integrat n modulul de conexiune (pentru 4 elemente) sau direct la nivelul senzorului sauelementului de execuie inteligent. Acest circuit inteligent asigur derularea protocolului decomunicaie pentru maxim patru senzori sau elemente de execuie.Pentru funcionarea n reea fiecare sclav trebuie programat pentru a i se aloca o adres deidentificare (bii A0...A4) i pentru a i se preciza parametriii de funcionare (bii P1...P4),

reea local LAN

reea ASI

sursa alimentare ASImodulcomunicaie

ASI

traductorinductiv

electrovalv

microntreruptor

modulconexiune

34

date care sunt stocate ntr-o memorie EEPROM intern.

Fig. 4.4. Circuitul integrat de interfa ASIC pentru reele ASi

Modul de desfurare a protocolului de comunicaie este prezentat n figura 4.5.

Fig. 4.5. Transferul de date n reelele ASi

" Ciclul de transfer date"

Stpn

s. s.s. s.

0 A4 A0 0 D3 D0 PB 10 0 D3 D0 PB 1

Cerere stpn (14b.) : Rspuns sclav (7b.) :

Adresasclav(5bits)

Striieiri

(4bits)

Striintrri(4bits)

3b. 2b.

167kbits/s

Alim.

EmitorReceptor

Memorie

Unitate decomand

I/Odate

Parametri

ASI+ASI-

Alim.

P0 P3

Strobe

A0...A4

D0...D3

35

4.2. REELE DESCHISE FOUNDATION FIELDBUS

Reelele Fielbus au fost proiectate ca reele de tip deschis cu inteligen distribuit. Pentrua crete fiabilitatea i sigurana n exploatare n cazul aplicaiilor din centralele nucleare,sisteme de transport s-a realizat acest sistem n care componentele software nu suntconcentrate la nivelul unui calculator supervizor ci sunt distribuite la nivelul senzorilor sauelementelor de execuie inteligente, asiguranduse o mai mare independen a sistemului fatde posibile avarii ale sistemului central de control. Defectarea unei componente permitemutarea parii software aferente la nivelul altei componente a reelei astfel nctfuncionalilatea procesului s fie afectat ct mai puin.

Fig. 4.5. Topologii de realizare a reelelor de senzori i conectare ntr-o reea Fielbus

Fig. 4.6. Sistem distribuit de control n reelele Foundation Fieldbus H1 (nivel inferior)

Electrovan

Debit* SP

AI PID AO

Regulatortemperatur

PID

Proces

Temp* SP

Msurtemperatur

AI

36

Fig. 4.7. Modalitatea de implementare a unui proces elementar de reglare n reea

Compararea caracteristicilor tehnice ale reelelor industriale

Reea Topologie Numradrese LungimeVitez

transferMrime pachet

dateBluetooth wireless 8 10 64Kbps continuous

CANopen bus 127 25m-1000m1Mbps-10Kbps

8 bytes

ControlNet bus or star 99 250m-1000mwire, 3- 30kmfiber

5Mbps 0-5 10 bytes

Devicenet bus 64 500m125-500Kbps

8 bytes

Ethernet bus, star 1024 85m coax,100m

twisted pair,400m-50kmfiber

1 0 -1000Gbps

4 6 -1500bytes

FoundationFieldbus

star unlimited 100mtwisted pair,2km fiber

100Mbps

37

Lonworks bus, ring,star

32,000 100Mbps 1-1000bytes

4.3. RETEAUA INTERNET (material informativ facultativ)

Reteaua Internet este o retea de retele care s-a dezvoltat de-a lungul timpului,nceputurile sale se leaga de un program de cercetare initiat n anul 1973 de catre DefenseAdvanced Research Projects Agency (DARPA). Scopul acestui program l constituiadezvoltarea abilitatii de conectare a diferitelor retele de calculatoare astfel nct ele sa poatafunctiona ca o singura retea. Pentru conectarea la aceasta magistrala a altor retele, grupate deobicei pe o arie mult mai restrnsa, se utilizeaza calculatoare special proiectate, denumiteroutere (routers). La rndul lor, aceste retele sunt conectate prin intermediul altor routerecu alte retele. n acest mod s-a dezvoltat o retea ce contine milioane de calculatoare,fiecare dintre ele purtnd numele de gazda (host), raspndite n lumea ntreaga; reteauacontinua sa se dezvolte, noi calculatoare adaugndu- i-se n fiecare zi.

4.3.1. Adresarea n InternetDin punct de vedere conceptual, Internet poate fi considerat o colectie de grupuri deretele, cunoscute sub numele de domenii (figura 4.8), fiecare dintre aceste domeniiconstnd din acele retele care sunt utilizate de catre o singura organizatie, cum ar fi ouniversitate, o firma sau o institutie guvernamentala. Fiecare domeniu este un sistemautonom, care poate fi configurat asa cum doreste autoritatea locala, uneori chiar ca unansamblu global de retele WAN.

Figura 4.8 Gruparea retelelor locale n domenii

38

Organizatii care detin retele brevetate (cu un protocol propriu) sunt conectate prinintermediul retelei Internet cu ajutorul unor calculatoare ce poarta numele de porti(gateway), care fac conversia ntre protocolul TCP/TP si cele utilizate de reteaua brevetatarespectiva. Astfel, termenul de Internet este folosit uneori cu referire la un sistem mai largdect cel specificat prin definitia de mai sus.

Adresa unui calculator (gazda) din Internet consta dintr-un sir de biti (avnd n modcurent o lungime de 32 de biti) ce contine doua parti - o parte care precizeaza domeniul ncare este inclus calculatorul gazda si o parte care identifica adresa gazdei n cadruldomeniului. Partea din adresa care defineste domeniul, identificatorul de retea(network identifier), este atribuita de catre InterNIC (Internet Network InformationCenter) la crearea domeniului si este nregistrata. Acest proces de nregistrare asigurafaptul ca fiecare domeniu din Internet are un identificator unic de retea. Partea din adresacare defineste un calculator gazda individual din cadrul unui domeniu, adresa gazdei(host address), este atribuita de catre autoritatea locala. De exemplu, identificatorul de reteaalocat editurii Addison Wesley Longman, Inc. este 192.207.177 (identificatorii de reteasunt scrisi n mod uzual n notatie zecimala cu punct). La rndul lui, un calculator dincadrul acestui domeniu va avea o adresa de tipul 192.207.177.133, ultimul octet al adreseireprezentnd adresa calculatorului gazda.

Oamenii lucreaza nsa mai greu cu adrese sub forma unui sir de biti. Din aceastacauza, InterNIC a alocat n plus fiecarui domeniu o adresa simbolica unica - numeledomeniului (domain name). Fiecare autoritate locala este apoi libera sa extinda numeledomeniului pentru a obtine nume semnificative pentru calculatoarele gazda din domeniulrespectiv.

Autoritatea locala a fiecarui domeniu este raspunzatoare de pastrarea unui director care sacontina adresele simbolice si adresele numerice Internet corespondente ale acelorcalculatoare gazda care trebuie sa fie accesibile din exteriorul domeniului. Acest director esteimplementat pe un calculator dedicat din cadrul domeniului, denumit server de nume(name server), care raspunde cererilor referitoare la informatii despre adrese. mpreuna,toate serverele de nume din cadrul retelei Internet constituie un sistem, distribuit dedirectoare, utilizat pentru convertirea adreselor din forma simbolica n formele numericeechivalente. n particular, atunci cnd un utilizator solicita transmiterea unui mesaj la o anumitadestinatie specificat n forma simbolica, este folosit sistemul de servere de nume pentru aconverti adres a simbolica n sirul de biti echivalent compatibil cu software-ul Internet.Aceasta operatie se efectueaza n mod normal ntr-o fractiune de secunda.

Probleme de securitateAtunci cnd un calculator este conectat la o retea, el devine accesibil multor utilizatori

potentiali. Problemele care apar n acest caz se mpart n doua categorii: accesul neautorizat lainformatii si actele de vandalism. Una dintre solutiie pentru rezolvarea problemei accesuluineautorizat o reprezinta utiizarea parolelor, fie pentru controlul accesului la calculatorulpropriu- zis, fie pentru controlul accesului la anumite date. Din pacate, parolele nu ramnntotdeauna secrete. Cea mai raspndita metoda de a le afla este prin ncercari.

O solutie pentru protectia datelor mpotriva accesului neautorizat o reprezinta criptarealor, n ideea ca n acest fel chiar daca intrusul obtine datele, informatiile continute ramninaccesibile, n acest scop au fost dezvoltate si continua sa fie perfectionate diverse tehnici decriptare. Pe masura ce popularitatea retelelor de calculatoare creste, pagubele potentialeproduse de accesul neautorizat la informatii si de actele de vandalism cresc si ele.

39

PROTOCOALE DE RETEA

Ansamblul de reguli care guverneaza comunicatia dintre diferite componente aleunui calculator poarta numele de protocol. n cadrul unei retele de calculatoare,protocoalele definesc detaliile fiecarei activitati, Intre modurile In care sunt adresatemesajele, In care se deleaga de la un calculator la altul dreptul de a transmite mesaje si Incare sunt tratate operatiile de Impachetare a mesajelor pentru transmisie si de despachetarea acestora la receptie.

Drepturi de control al transmisieiUna dintre solutiile utiizate pentru coordonarea dreptului de transmitere a

mesajelor este protocolul inel cu jeton (token ring) pentru retelele cu topologie n inel.n cadrul acestui protocol, fiecare calculator transmite mesajele numai spre ,,dreaptareceptioneaza numai din partea ,,stnga, asa cum se poate vedea In figura 4.9. Un mesajdin partea unui calculator catre alt calculator trebuie deci transmis In retea In sensul inversacelor de ceasornic pna cnd ajunge la destinatie, In acel moment, calculatorul destinatar Isipastreaza o copie a mesajului si trimite mai departe In inel alta copie. Cnd copia ajunge lacalculatorul care a trimis mesajul, acesta stie ca mesajul a ajuns la destinatie si eliminamesajul din inel. Desigur, functionarea sistemului depinde de colaborarea dintrecalculatoare. Daca fiecare calculator va insista sa-si trimita propriul mesaj, n loc sa leretransmita pe cele emise de celelalte, sistemul nu va functiona.

Figura 4.9 Comunicatia n cazul unei topologii n inel

Pentru a rezolva aceasta problema, de-a lungul inelului este transmis un sir unic debiti, denumit jeton (token). Posesia acestui jeton da unui calculator dreptul de a-sitransmite propriile mesaje; fara jeton, unui calculator i se permite numai sa transmita maideparte mesajele primite din inel. n mod normal, fiecare calculator transmite jetonul de lastnga la dreapta similar transmiterii mesajelor. Daca totusi calculatorul care receptioneazajetonul are mesaje de transmis n inel, el va retine jetonul si va transmite un mesaj. Dupace acest mesaj si completeaza ciclul n jurul inelului, calculatorul transmite jetonulurmatorului calculator din inel. La fel, atunci cnd urmatorul calculator receptioneazajetonul, el poate sa- l transmita imediat mai departe sau sa-si emita mai nti propriulmesaj. Astfel, toate calculatoarele din retea au sanse egale sa-si transmita propriile mesaje,n timp ce jetonul se roteste de-a lungul inelului.

40

Un alt protocol pentru controlul dreptului de transmisie este ntlnit la Ethernet,care este o versiune foarte raspndita a topologiei de retea de tip magistrala. ntr-o reteaEthernet, dreptul de transmisie a mesajelor este controlat de un protocol cunoscut sub numelede CSMA/CD (Carrier Sense, Multiple Access with Collision Detection - acces multiplu cudetectarea purtatoarei si a coliziunilor). Acest protocol impune ca fiecare mesaj emis deorice calculator sa fie transmis tuturor calculatoarelor de pe magistrala (figura 4.10).Fiecare calculator monitorizeaza toate mesajele, dar le pastreaza numai pe cele care-i suntadresate. Pentru a transmite un mesaj, un calculator asteapta pna cnd magistrala este libera,moment n care ncepe transmisia, continund sa asculte magistrala. Daca alt calculatorncepe de asemenea sa transmita, ambele calculatoare vor detecta coliziunea si dupa un scurtinterval de pauza cu durata aleatoare vor ncerca din nou sa transmita.

Figura 4.10 Comunicatia n cadrul unei retele cu topologie de tip magistrala

Protocolul TCP/IPCererea de retele deschise a generat necesitatea unor standarde publice la care sa se poata

alinia furnizorii de echipamente si programe, astfel nct produsele lor sa functionezecorect mpreuna. Unul dintre standardele rezultate este modelul de referinta OSI (OpenSystem Interconnection), produs de International Standard Organization (ISO). El se bazeazape o ierarhie cu sapte niveluri, spre deosebire de arhitectura cu patru niveluri utilizata nInternet. Datorita autoritatii detinute de International Standard Organization, el a devenit unmodel citat adesea, dar nu a fost implementat nca, n primul rnd din cauza ca nca dinaintede stabilirea lui, suita de protocoale TCP/IP era deja realizata, implementata, mediatizata pescara larga si verificata ca un sistem de protocoale potrivit pentru Internet.

Suita de protocoale TCP/IP este un ansamblu de protocoale ce defineste ierarhia pepatru niveluri utilizata n Internet. De fapt, TCP (Transport Control Protocol) si IP(Internet Protocol) sunt numele a doar doua din protocoalele ansamblului asa cautilizarea termenului de suita de protocoale TCP/IP pentru ntreaga serie nu este rigurosexact. Mai precis, TCP defineste o versiune a nivelului transportului. Spunem o versiune,deoarece suita de protocoale TCP/IP pune la dispozitie doua cai de implementare a niveluluipentru transport, cea de a doua fiind definita de UDP (User Datagram Protocol). Acest lucrueste analog situatiei n care, expediind un colet cu piese de rezerva unui client, trebuie saalegetintre diverse firme de expeditie, fiecare dintre ele oferind acelasi serviciu de baza,dar avnd propriile sale caracteristici specifice. Astfel, n functie de calitatea par ticulara aserviciului cerut, nivelul aplicatiei poate alege sa trimita datele fie prin intermediul versiuniiTCP, fie prin intermediul versiunii UDP a nivelului pentru transport. Exista doua diferentemaj ore ntre TCP si UDP. Prima este aceea ca nainte de a transmite datele, un nivel pentrutransport bazat pe TCP trimite un mesaj nivelului pentru transport de la destinatie,anuntndu-l ca-i va trimite niste date si preciznd care software din nivelul aplicatieitrebuie sa le receptioneze. Dupa aceea, el asteapta confirmarea primirii acestui mesaj nainte de

41

a trimite segmentele mesajului propriu-zis. De aceea se spune ca un nivel pentru transportTCP stabileste o conexiune nainte de a transmite datele. Un nivel de transport bazat pe UDPnu stabileste o astfel de conexiune nainte de a transmite datele. El le transmite pur si simplula adresa care ia fost furnizata, dupa care nu se mai intereseaza de ele. Din punctul lui devedere, nu conteaza nici macar daca masina de la destinatie este sau nu functionala. Dinacest motiv, UDP este denumit protocol fara conexiune.

A doua diferenta semnificativa dintre TCP si UDP este aceea ca nivelurile de transportTCP de la origine si destinatie coopereaza ntre ele utiiznd ncuviintari si retransmisii alesegmentelor de mesaj, pentru a confirma transferul cu succes al tuturor segmentelor ladestinatie. De aceea, TCP este considerat un protocol sigur, n timp ce despre UDP, care nuofera asemenea servicii de retransmisie a datelor, se spune ca este un protocol nesigur.Acest lucru nu nseamna ca UDP este o alegere gresita. ntr-adevar, un nivel de transportbazat pe UDP este mai simplu dect un nivel bazat pe TCP, si daca o aplicatie estepregatita sa trateze posibilele erori ale UDP, aceasta optiune se poate dovedi mai buna.IP reprezinta protocolul Internet pentru nivelul retelei. Una dintre caracteristicile sale esteaceea ca de fiecare data cnd un nivel pentru retea IP pregateste un pachet pentru a-l livranivelului legaturii, el asociaza acelui pachet o valoarea denumita contor de salt sau durata deviata. Aceasta valoare reprezinta numarul maxim de retransmiteri ale pachetului nncercarea acestuia de a-si gasi drumul prin Internet catre destinatia finala. De fiecare datacnd un nivel de retea IP retransmite un pachet, el scade cu o unitate controlul de saltasociat. Utiliznd aceasta informati, nivelul retelei poate proteja reteaua Internet depachetele care cicleaza la nesfrsit prin sistem. Cu toate ca reteaua Internet continua sacreasca zi de zi, un contor de salt initial cu valoarea de 64 ramne mai mult dect suficientpentru a permite unui pachet sa-si gaseasca drumul spre destinatie.

1SISTEME DE CONDUCERE CU CALCULATOARE DEPROCES N ENERGETIC

Introducere. Scurt istoric.

Prima categorie de calculatoare utilizat n coordonarea SEE a fost, prinanii 1930, reprezentat de calculatoare analogice, folosite ca analizoare dereea.

Calculatoarelor numerice (CN), au aprut n a doua jumtate a deceniuluicinci, productorii i distribuitorii de energie electric au fost primii utilizatori.

n 1952, Compania Edison instaleaz un calculator numeric cu tuburielectronice UNIVAC, folosit pentru calcule de regimuri.

Este urmat apoi la scurt timp de Compania Louisiana Power and Light,care instaleaz la centrala sa electric, primul calculator destinat suprevegheriiregimurilor de funcionare ale grupurilor.

n anul 1958 erau 25 de calculatoare numerice instalate la distribuitorii deenergie electric din SUA, iar n anii urmtori, utilizarea acestora de ctreintreprinderile de electricitate a crescut considerabil.

Se apreciaz c n anul 1985, USA a cheltuit cca. 1,4 miliarde de dolarinumai pentru echipamente de calcul, i doar ceva peste 100 milioane de dolaripentru programarea lor.

n Romnia, prin anii 1960 a fost instalat la DEN calculatorul ELIOT,utilizat pentru analize off-line de regimuri n SEN. A reprezentat primulcalculator de dimensiuni mari, pentru acel moment, utilizat efectiv nconducerea SEN.

2Domenii de aplicaii ale calculatoarelor n electroenergetic

Aplicaiile calculatoarelor n intreprinderilor de electricitate, pot fi grupaten trei activiti:

1. Planificare dezvoltare;2. Analize de regimuri;3. Conducere operativ.

n primele dou categorii de aplicaii utilizarea calculatoarelor n regimoff line este mult mai frecvent.

n conducerea operativ ns a unitilor energetice, prin dispecereenergetice, tot mai mult sunt utilizate calculatoarele n regim on-line, adic,Calculatoare de Proces (CP).

Activitatea de planificare dezvoltare

Implic construirea de noi staii, linii electrice de transport i distribuie,de noi grupuri energetice. Calculatoarele sunt utilizate n regim off/line.

Analize de regimuri

Analizele de regimuri implic programe laborioase rulate n general nregim off line.

Dintre domeniile de activitate uzuale n companiile de electricitate n careanalizele de regimuri sunt practici curente menionm:

a) n proiectareb) n exploatarec) n conducerea operativ prin dispecer a SEN.

Conducere operativ

Dotarea cu echipament de calcul i programe aplicative a dispecerelorenergetice este dependent de poziia pe care o ocup n sistemul de conducerei de subsistemul aflat n subordine.

Sistemele informaionale ataate dispecerelor energetice sunt conceputepentru a realiza n timp real urmtoarele dou sarcini de baz:

a) informarea dispecerilor privind starea sistemului;b) asistarea dispecerilor n luarea deciziilor privind conducerea

operativ.

3Rezolvarea sarcinilor de conducere oprativ a SEN a condus la realizareaa dou categorii de sisteme informatice, specifice domeniului energetic:

1. Sisteme de supraveghere, comand i achiziii de date (SCADA);2. Sisteme de conducere ghid-operator care n funcie de obiectivul

energetic deservit pot fi de tip;- EMS destinate dispecerelor de sisteme de putere;- DMS destinate dispecerelor locale de distribuie a energiei