Wykład z programowania sterowników PLC.

1. Sterowniki PLC

2. Plan prezentacji
 Sterowniki PLC
 Historia
 Zasada działania
 Rodziny sterowników
 Norma IEC 1131
 Systemy SCADA

3. Sterowniki PLC
PLC (Programowalny Sterownik Logiczny) (ang.
Programmable Logic Controller) – uniwersalne urządzenie
mikroprocesorowe przeznaczone do sterowania pracą
maszyny lub urządzenia technologicznego. Sterownik PLC
musi zostać dopasowany do określonego obiektu
sterowania poprzez wprowadzenie do jego pamięci
żądanego algorytmu działania obiektu. Cechą
charakterystyczną sterowników PLC odróżniającą ten
sterownik od innych sterowników komputerowych jest
cykliczny obieg pamięci programu. Algorytm jest
zapisywany w dedykowanym sterownikowi języku
programowania. Istnieje możliwość zmiany algorytmu przez
zmianę zawartości pamięci programu. Sterownik wyposaża
się w odpowiednią liczbę układów wejściowych zbierających
informacje o stanie obiektu i żądaniach obsługi oraz
odpowiednią liczbę i rodzaj układów wyjściowych
połączonych z elementami wykonawczymi,
sygnalizacyjnymi lub transmisji danych.

4. Sterowniki PLC
Sterowniki programowalne PLC są komputerami
przemysłowymi, które pod kontrolą systemu operacyjnego czasu
rzeczywistego:
 zbierają pomiary za pośrednictwem modułów wejściowych z
analogowych i dyskretnych czujników oraz urządzeń pomiarowych,
 transmitują dane za pomocą modułów i łącz komunikacyjnych,
 wykonują programy aplikacyjne na podstawie przyjętych
parametrów i uzyskanych danych o sterowanym procesie lub
maszynie,
 generują sygnały sterujące zgodnie z wynikami obliczeń tych
programów i przekazują je poprzez moduły wyjściowe do
elementów i urządzeń wykonawczych,
 realizują funkcje diagnostyki programowej i sprzętowej.

5. Sterowniki PLC
Sterowniki PLC składają się z:
 jednostki centralnej (CPU)
 bloków wejść cyfrowych
 bloków wejść analogowych
 bloków komunikacyjnych
 bloków wyjść cyfrowych
 bloków wyjść analogowych
 bloków specjalnych
 pamięci ROM, PROM, EPROM, EEPROM

6. Rys 1. Schemat budowy sterownika programowalnego PLC

7. Sterowniki PLC
Wartości pomiarów zmiennych procesowych są
wejściami sterownika, zaś obliczone zmienne sterujące
stanowią wyjścia sterownika.
Głównym zadaniem sterownika jest więc reagowanie
na zmiany wejść przez obliczanie wyjść według
zaprogramowanych reguł sterowania lub regulacji.
Reakcja ta może być zależna od:
• wyników operacji arytmetyczno-logicznych wykonanych dla
aktualnych wartości wejść sterownika,
• jego zmiennych wewnętrznych oraz od zaprogramowanych
warunków czasowych,
• operacji wykonanych na danych transmitowanych w
sieciach łączących wiele elementów pomiarowych,
sterowników, regulatorów czy też komputerów.

8. Rys 2. Sterownik Siemens LOGO! 12/24RC z wyświetlaczem

9. Historia
W roku 1968 grupa inżynierów firmy General Motors pod
kierunkiem Udo Struga rozpoczęła prace projektowe nad nową
generacją sterowników, przyjmując następujące założenia:
 Łatwość programowania i przeprogramowania stosownie do
zmieniających się warunków przemysłowych.
 Łatwość utrzymania w ruchu produkcyjnym z możliwością napraw
przez wymianę instalowanych modułów (plug-in modules).
 Większa niezawodność w warunkach przemysłowych przy
mniejszych gabarytach niż sprzęt przekaźnikowy.
 Koszty porównywalne ze stosowanymi panelami przekaźnikowymi
i szafami sterowniczymi.
Ich celem było zastąpienie układów przekaźnikowych w
urządzeniach sterowania sekwencyjnego typu bębnowego lub
krzywkowego oraz w innych podobnych urządzeniach sterowania
logicznego.

10. Historia
W roku 1970 na wystawie obrabiarek w Chicago
przedstawiono pierwszy system sterowania działający na
zasadzie cyklicznego obiegu pamięci programu. System
pozwalał realizować różnorodne zadania sterownicze przy
zachowaniu niezmiennej części sprzętowej - tylko przez
zmiany zawartości pamięci programu. W końcu roku 1973
oszacowano, że w USA w przemyśle obróbki metali było
ponad 3000 sterowników PLC. W Niemieckiej Republice
Federalnej w roku 1976 było zainstalowanych około 1000
sterowników PLC, na tym rynku w tym czasie oferowało swe
sterowniki 43 producentów. W Polsce pod koniec lat
siedemdziesiątych XX wieku było zainstalowanych kilkaset
zestawów sterowników PLC sprowadzonych albo łącznie z
importowanymi maszynami czy urządzeniami albo
zakupionych dla obiektów zaprojektowanych i
wyprodukowanych w kraju. W roku 1977 Zakłady
Automatyki Przemysłowej MERA ZAP w Ostrowie Wlkp.
podjęły produkcję pierwszego w Polsce systemu sterowania
programowalnego (sterownika PLC) o nazwie INTELSTER
PC4K.

11. Zasada działania
Podstawową zasadą pracy sterowników jest praca
cykliczna, w której sterownik wykonuje kolejno po sobie
pojedyncze rozkazy programu w takiej kolejności, w jakiej
są one zapisane w programie. Na początku każdego cyklu
program odczytuje "obraz" stanu wejść sterownika i
zapisuje ich stany (obraz wejść procesu). Po wykonaniu
wszystkich rozkazów i określeniu (wyliczeniu) aktualnego
dla danej sytuacji stanu wyjść, sterownik wpisuje stany
wyjść do pamięci będącej obrazem wyjść procesu a system
operacyjny wysterowuje odpowiednie wyjścia sterujące
elementami wykonawczymi. Tak więc wszystkie połączenia
sygnałowe spotykają się w układach (modułach)
wejściowych sterownika, a program śledzi ich obraz i
reaguje zmianą stanów wyjść w zależności od algorytmu.

12. Zasada działania
Cykl pracy sterownika można zapisać krokowo:
 Autodiagnostyka
 Odczyt wejść
 Wykonanie programu
 Zadania komunikacyjne
 Ustawienia wyjść

13. Zasada działania
Firmy produkujące sterowniki programowalne
dostarczają zwykle wraz z nimi środowisko
programistyczne, pozwalające pisać aplikacje w jednym lub
kilku językach programowania. Języki te są zwykle mniej
lub bardziej dokładną implementacją zaleceń normy IEC
61131-3, która to norma definiuje następujące warianty:
 LD (Ladder Diagram) logika drabinkowa - schemat zbliżony
do klasycznego rysunku technicznego elektrycznego;
 FBD (Function Block Diagram) - diagram bloków
funkcyjnych, sekwencja linii zawierających bloki funkcyjne;
 ST (Structured Text) tekst strukturalny - język zbliżony do
Pascala;
 IL (Instruction List) lista instrukcji - rodzaj asemblera;
 SFC (Sequential Function Chart) sekwencyjny ciąg bloków -
sekwencja bloków programowych z warunkami przejścia.

14. Rodziny sterowników
PLC dzieli się na:
 małe (50-150 przekaźników),
 średnie (150-500 przekaźników),
 duże (500-3000 przekaźników).
Jednak modele te nie były ze sobą wzajemnie
kompatybilne i nie miały możliwości zwiększania liczby
wejść i wyjść. Można to było zrobić jedynie przez wymianę
sterownika na większy, co oczywiście zwiększało koszty.
Obecnie producentów obowiązuje koncepcja
wprowadzania na rynek całych rodzin sterowników (family
concept), polegająca na podobnym projektowaniu
wszystkich modeli sterowników i pozwalająca na
zaspokojenie potrzeb rynku, umożliwiając lepszy dobór
sprzętu dla różnych wielkości projektowanych instalacji.

15. Rodziny sterowników
Rodziny sterowników charakteryzują się tym,
że poszczególne modele:
• mogą być programowane w tym samym języku
przy użyciu tego samego pakietu programowego,
• posiadają takie same zmienne programowe oraz
tę samą strukturę modułów I/O (moduły, płyty
łączeniowe, drajwery, kable, itp.),
• istnieje możliwość przenoszenia programów
między modelami oraz korzystania z tych samych
opcji w każdym modelu.
• Koncepcja podobieństwa pozwala wybrać
sterownik PLC odpowiedni dla wymagań
użytkownika przy jednoczesnym zapewnieniu
możliwości włączenia go do większych systemów
sterowania.

16. Norma IEC 1131
W związku z coraz powszechniejszym stosowaniem
sterowników PLC, pojawiła się konieczność ich standaryzacji, a w
szczególności metod programowania. W 1993r. Międzynarodowa
Komisja Elektroniki (International Electronical Commission - IEC)
wydała normy IEC1131 „Programmable Controllers". Standard ten
zawarł w sobie doświadczenia wypracowane w ostatnich latach w
dziedzinie programowania PLC, a przede wszystkim normy,
wytyczne i rekomendacje takie jak :
• JEC 848 - Grafcet (Francja),
• DIN 40719, DIN 19239, VDI 2880 (Niemcy),
• NEMAICS-3-304 (USA).
Norma IEC 1131 obejmuje informacje ogólne oraz
standaryzuje osprzęt i wymagania testowe. W trzeciej części,
dotyczącej języków programowania, norma definiuje pojęcia
podstawowe, zasady ogólne, model programowy i model
komunikacyjny oraz ujednoliconą koncepcję programowania PLC w
językach tekstowych i graficznych. Pozostałe dwie części dotyczą
wytycznych dla użytkownika oraz standaryzacji w zakresie
wymiany informacji.

17. Systemy SCADA
Systemy SCADA dopełniają i rozszerzają możliwości
sterowników, realizując m.in. następujące funkcje:
• zbierania i przetwarzania oraz archiwizacji danych
pochodzących bezpośrednio z systemów sterownikowych,
• opracowania raportów dotyczących bieżącego stanu,
zużycia materiałów oraz stanu pracy maszyn i urządzeń,
• wizualizacji w wielu formach graficznych wartości
zmiennych procesowych (aktualnych i historycznych),
• generowania sygnałów alarmowych związanych z
przekroczeniem wartości granicznych,
• wypracowywania danych dla warstw sterowania
operatywnego produkcją i warstwy zarządzania.

18. Systemy SCADA
Systemy SCADA zapewniły niezawodną
komunikację ze sprzętem PLC, możliwość zmian
jego oprogramowania w działających systemach
sieciowych i dzięki temu zakres zastosowań i
możliwości systemów sterownikowych wzrosły
wielokrotnie. Co więcej, szeroko stosowane w
komputerach PC rozwiązania sprzętowe i
programowe coraz częściej wprowadza się do
systemów sterownikowych, czego przejawem jest
bardzo szybko rozszerzające się zastosowania
systemów PC Control, które wykorzystują sprzęt
przemysłowych komputerów PC i
oprogramowanie stosowane w sterownikach PLC.