Konfiguracja, diagnostyka i wymiana danych procesowych

AUTORYZOWANE CENTRUM
SERWISOWO – SZKOLENIOWO - KOMPETENCYJNE
Konfiguracja, diagnostyka i wymiana danych procesowych
w teleinformatycznych sieciach przemysłowych
Artykuł powstał na podstawie pracy dyplomowej opartej o nowoczesne rozwiązania
systemowe firmy Siemens, realizowanej w Katedrze Informatyki Stosowanej Politechniki Łódzkiej
oraz na terenie Kopalni Węgla Brunatnego Bełchatów S.A.
Opisywana tematyka porusza zagadnienia zarówno związane z budową, funkcjonowaniem i wymianą
danych procesowych w sieciach przemysłowych, jak również prezentuje sposób konfigurowania
przykładowego systemu sterowania dla obiektów koparek węglowych – Rys. 1.
Rys. 1 Maszyna górnicza - pojazdy podawarki, [Zdjęcie z pracy dyplomowej]
Możliwości zastosowania oprogramowania takiego jak STEP 7, DriveES, DriveMonitor,
specjalizowanego i dedykowanego do programowania oraz obsługi sterowników SIMATIC, napędów
elektrycznych SIMOVERT MASTEDRIVES VC produkcji firmy Siemens, zobrazowano na
przykładach praktycznych z zastosowaniem do celów diagnostyki i monitoringu wymiany danych
procesowych na obiektach przemysłowych. Na bazie opracowanego projektu programowosprzętowego, odpowiedniego przygotowania merytorycznego oraz praktycznego i wykonanych
pomiarów, w tym rejestracji przebiegów wielkości elektromechanicznych na obiekcie przemysłowym,
zaprezentowano użytkową możliwość diagnostyki struktur sterowania bez konieczności ingerencji w
program główny układu automatyki dla charakterystycznego obiektu przemysłowego.
1 Współczesne systemy automatyki przemysłowej
Projektowane obecnie systemy automatyki należą do grupy rozbudowanych i rozproszonych
peryferyjnie układów sterowania. Komunikacja sieciowa i procesowa wymiana danych np. w
PROFIBUS DP, realizowana jest w oparciu o jednostki centralne Master, takie jak SIMATIC S7-300 i
S7-400, sieci przemysłowe, takie jak PROFIBUS DP, czy PROFINET (nowoczesne rozwiązania
programowe i sprzętowe) oraz uczestników sieci, tzw. jednostki Slave, takie jak S7-200 (dla
PROFIBUS DP), czy też inteligentne systemy napędowe z wbudowaną logiką, takie jak: SINAMICS
S120 czy rodzina SIMOVERT, Rys. 2.
SIMLOGIC.
ul. Demokratyczna 117
93-348 Łódź
tel. 042 648 66 77
tel. 042 648 67 07
fax: 042 648 67 00
www.simlogic.pl
[email protected]
[email protected]
Strona - 1
AUTORYZOWANE CENTRUM
SERWISOWO – SZKOLENIOWO - KOMPETENCYJNE
SIMAT
S
M
1
SIMATIC S7
OP
PC / PG
Kanał acykliczny DPV1
PROCESS FIELD BUS
Komunikacja lateralna
Cykle
POSMO A
POSMO
SI, CA, CD
SIMODRIVE
611 Universal
SIMOREG
MASTERDRIVES MICROMASTER DC Master
MC oraz VC
MM4xx
ET200
Rys. 2 Przykład możliwości rozwiązań struktur sieciowego sterowania według koncepcji firmy
Siemens - Total Integrated Automation, [Schemat i koncepcja TIA – Siemens]
Zadaniem układów rozproszonych (DP – rozproszone peryferia) jest zarówno zbieranie różnych
informacji procesowych, jak również realizacja funkcji sterowania urządzeniami wykonawczymi.
Osobnym, lecz bardzo ciekawym, ważnym i aktualnym zagadnieniem jest tematyka dotycząca
realizowanej obecnie integracji rozwiązań Motion Control w dobrze opanowanych, sprawdzonych i
rozpowszechnionych od dawna w przemyśle, strukturach SIMATIC (S5, S7200, S7300, S7400).
Rozwiązaniem tym jest rodzina SIMATIC Technologia, którą znamy pod nazwą SIMATIC S7-315T
oraz S7-317T. To rozwiązanie, przede wszystkim, pozwala użytkownikowi skorzystać z koncepcji
integracji systemów automatyki TIA Siemensa z dostępem do rozproszonych peryferii oraz
zintegrowanego oprogramowania narzędziowego.
1.1 Protokoły komunikacyjne sieci PROFIBUS
Standard komunikacyjny PROFIBUS (PROcess FIeld BUS) jest siecią opartą na modelu
referencyjnym ISO/OSI, który obrazuje możliwości komunikacji pomiędzy stacjami pracującymi w
sieci rozproszonej, określa zasady oraz reguły transmisji danych i interfejs, który jest wykorzystywany
w danym protokole – Rys. 3.
Rys. 3 Model referencyjny ISO/OSI w zastosowaniu do komunikacji PROFIBUS [materiały - PNO
PROFIBUS Polska, www.profibus.org.pl]
Model referencyjny precyzuje wszystkie konieczne elementy, strukturę sieciową oraz zadania
związane z wymianą danych i komunikacją – Rys. 3. Model ISO/OSI został podzielony na siedem
warstw, w których każda spełnia specjalne funkcje i zadania w procesie komunikacji. Każda warstwa
komunikuje się z sąsiednimi, dodając do przekazywanych danych swój nagłówek. W przypadku, gdy
system komunikacyjny nie potrzebuje danej funkcji, wówczas odpowiednia warstwa nie jest
wykorzystywana i zostaje pomijana. Tak jak zaznaczono na Rys. 3, PROFIBUS wykorzystuje
warstwy: 1,2 i 7. Norma IEC 61158 szczegółowo definiuje podział warstw modelu ISO/OSI oraz
SIMLOGIC.
ul. Demokratyczna 117
93-348 Łódź
tel. 042 648 66 77
tel. 042 648 67 07
fax: 042 648 67 00
www.simlogic.pl
[email protected]
[email protected]
Strona - 2
AUTORYZOWANE CENTRUM
SERWISOWO – SZKOLENIOWO - KOMPETENCYJNE
stanowi dokładne wytyczne dla usług sieciowych i protokołów w „Cyfrowej komunikacji danych w
sieciach polowych, pomiarowych i sterujących”, do zastosowania w przemysłowych systemach
sterujących. Przykład takiej rozgałęzionej struktury sieciowej przedstawia poniższy rysunek – Rys. 4
Rys. 4 Przykład struktury sieciowej, [Rysunek z pracy dyplomowej]
Standard PROFIBUS DP charakteryzuje się szybkim i cyklicznym procesem wymiany danych między
poszczególnymi stacjami współpracującymi ze sobą w sieci. Celem standardu DP jest komunikacja
między urządzeniami obiektowymi, sygnałami analogowymi oraz systemami rozproszonych
wejść/wyjść, napędów i zabezpieczeń. Z analizy struktury Rys. 4 wynika, iż na przykładowym
obiekcie, komunikacja i wymiana danych procesowych realizowana jest w sieciach Ethernet,
PROFIBUS, PTP oraz MPI. Sieciową wymianę danych organizują sterowniki SIMATIC S7-318 2DP
z modułem komunikacyjnym CP 343-1 do Ethernetu oraz SIMATIC S7-416 2DP z modułem
komunikacyjnym CP 443-1 (Ethernet). Moduły Slave, w tym falowniki rodziny SIMOVERT i układy
zabezpieczeń SIPROTEC przeznaczone dla sieci elektroenergetycznych i generatorów, podłączone są
wspólnie do sieci PROFIBUS DP. Dodatkowo, w systemie sterowania pracują cztery stacje
operatorskie, które służą do wizualizacji, pomiarów, diagnostyki i archiwizacji, wymiany zmiennych i
sygnałów procesowych.
1.2 Podstawy budowy i funkcjonowania napędów
Przemienniki częstotliwości SIMOVERT MASTERDRIVES Vector Control, w szerokim
spektrum zastosowań przemysłowych, w tym do pracy na obiektach górniczych, stosowane są do
regulacji prędkości obrotowej i momentu silników prądu przemiennego. Dzięki zawansowanej
budowie mikroprocesorowej, przemienniki te umożliwiają dużą ingerencję użytkownika w parametry
układów sterowania i automatycznej regulacji. Cechami charakterystycznymi przemienników
SIMOVERT MASTERDRIVES są:
• możliwość zastosowania do różnego typu napięć zasilających,
• sterowanie polowo-zorientowane,
• identyfikacja zastępczych parametrów modelowych podłączanych silników,
• optymalizacja i adaptacja nastaw układu regulacji prędkości,
• praca napędów w dużym obciążeniu i przeciążeniu,
• możliwość dołączenia modułów i kart rozszerzeń,
• wbudowany rejestrator przebiegów,
Za pomocą SIMOVERT MASTERDRIVES VC można zasilić trójfazowy silnik w zakresie mocy
wyjściowej od 0.55 kW do 2500 kW. Ten typ urządzenia, konstrukcyjnie jako falownik, zasilany jest
SIMLOGIC.
ul. Demokratyczna 117
93-348 Łódź
tel. 042 648 66 77
tel. 042 648 67 07
fax: 042 648 67 00
www.simlogic.pl
[email protected]
[email protected]
Strona - 3
AUTORYZOWANE CENTRUM
SERWISOWO – SZKOLENIOWO - KOMPETENCYJNE
napięciem stałym w zakresach napięć: 270...310 V/ 510...650 V/ 675...810 V/ 890 ... 930V (falowniki
napięciowe z kondensatorami w członie DC). Innym rozwiązaniem, aby zasilić falownik może być
zastosowanie jednostki zasilająco-odzyskującej, która przekształca trójfazowe napięcie zasilające na
napięcie stałe i odwrotnie. Dzięki wbudowanemu układowi modulacji szerokości impulsów (PWM)
falownik może regulować częstotliwość wyjściową w zakresie od 0 Hz do 600Hz. Wewnętrzna
elektronika napędu falownikowego zasilana jest napięciem 24V. Napęd falownikowy może być
również sterowany w następujący sposób:
• Sterowniczy panel operatorski PMU, który umieszczony jest na pulpicie napędu,
• Panel operatorski OP1S, nakładany na płytę czołową lub mocowany w szafie sterowniczej
(komunikuje się z napędem przez łącze szeregowe RS485),
• Dodatkowe elementy automatyki i karty sterujące magistrali komunikacyjnej napędu: CBP
(PROFIBUS), CAN (CANBus) i SLB(SIMOLINK),
• Magistrala komunikacyjna USS napędu przy pomocy elementów automatyki
(np. Simatic)
• Komputer diagnostyczny zawierający oprogramowanie narzędziowe.
Bezpłatne oprogramowanie DriveMonitor Siemensa, dostarczane do napędów, zapewnia dostęp i
kontrolę do wszystkich funkcji, natomiast sterowanie jednostką odbywa się wewnątrz zamkniętej pętli
elektroniki z czujnikiem prędkości obrotowej lub jako bezczujnikowe.
1.3 Technika BICO, parametry, dane procesowe i łączenie sygnałów
Parametry BICO1 przeznaczone są do definiowania źródeł sygnałów wejściowych dla bloków
funkcyjnych. Takie zastosowanie umożliwia swobodne użycie tej techniki do definiowania
przeznaczenia sygnałów binektorów i konektorów, z których stosowne bloki mogą odczytywać
sygnały wejściowe, realizować bloki funkcyjne a następnie je przetwarzać. Jest to technika
programowania napędów, a użytkownik, poprzez parametryzację, może łączyć bloki logiczne, które są
umieszczone w pamięci karty CU (Control Unit) przekształtnika. Każdy parametr BICO posiada
ustalone typy sygnałów wejściowych (binektory – sygnały jednobitowe bitowe i konektory – sygnały
16 lub 32 bitowe), które można przypisywać do odpowiednich wejść bloków. Binektory przeznaczone
są do przenoszenia informacji o sygnałach binarnych. Każdy binektor składa się z nazwy, numeru oraz
litery indentyfikacyjnej (B2100). Numer binektora składa się zawsze z czterech cyfr, a binektory, ze
względu na ich definicję, mogą przyjmować dwa stany logiczne: ”0” (logiczny fałsz) oraz ”1”
(logiczna prawda).
Konektory (oznaczenie K lub KK) pełnią rolę funkcji służącej do zbierania i przenoszenia sygnałów
analogowych lub grup bitowych. Wszystkie wartości nadawane konektorom są wartościami
znormalizowanymi, w których występuje kilka wyjątków takich jak na przykład konektory dla słowa
kontrolnego – Rys. 5.
1
BICO jest to technika firmy Siemens przeznaczona do logicznego łączenia sygnałów , a jej nazwa pochodzi od
słów BInector – COnnektor
SIMLOGIC.
ul. Demokratyczna 117
93-348 Łódź
tel. 042 648 66 77
tel. 042 648 67 07
fax: 042 648 67 00
www.simlogic.pl
[email protected]
[email protected]
Strona - 4
AUTORYZOWANE CENTRUM
SERWISOWO – SZKOLENIOWO - KOMPETENCYJNE
Np. K0011 –
Wejście
analogowe
Np. KK3032
– PZD
PROFIBUS
MW 200
MD 200
Rys. 5 Łączenie i przepływ danych procesowych w Technice BICO, [materiały z pracy dyplomowej]
Analizując powyższe zakresy, można zauważyć, że w przypadku zadania wartości 200%, wartość
konektora zmienia się na liczbę ujemną - wartość ta przyjmuje znak ujemny w systemie
heksagonalnym. Taki przypadek jest niebezpieczny, szczególnie w czasie uruchamiania maszyny, ze
względu na możliwość uruchomienia napędu w przeciwną stronę do wymaganego kierunku. Zatem
znajomość mechanizmów i zakresu wymiany danych procesowych jest bardzo ważna.
2 Dane procesowe
W standardzie PROFIBUS, dane użyteczne do przesyłu danych są strukturalnie
zdefiniowane dla napędów o regulowanej prędkości (standard PROFIdrive) jako obiekty danych
parametrów procesowych (PPO). Odpowiedni wybór typu PPO jest uzależniony od zadań napędu w
układzie automatyki oraz klasyfikacji rozwiązania maszyny i realizacji funkcji komunikacyjnych.
Proces transmisji danych odbywa się w jak najkrótszych odcinkach czasowych, a komunikacja danych
podzielona jest na dwa obszary , które możemy przesłać za pomocą telegramów:
• zakresu danych procesowych PZD (słowa sterujące, wartości zadane, informacje
procesowe),
• zakresu parametru PKW (informacje o parametrach oraz żądanie zmian lub odczytu
parametrów).
Rys. 6 Podgląd i analiza wymiany zdefiniowanych danych procesowych za pomocą oprogramowania
narzędziowego na stanowisku laboratoryjnym
SIMLOGIC.
ul. Demokratyczna 117
93-348 Łódź
tel. 042 648 66 77
tel. 042 648 67 07
fax: 042 648 67 00
www.simlogic.pl
[email protected]
[email protected]
Strona - 5
AUTORYZOWANE CENTRUM
SERWISOWO – SZKOLENIOWO - KOMPETENCYJNE
Zakres danych procesowych kontroluje stan napędu oraz stan w jakim aktualnie się znajduje podczas
realizacji funkcji i zadań w układzie automatyki, np. załączanie/wyłączanie, wartości zadane i
aktualne. Zakres parametru, poprzez system magistrali komunikacyjnej, umożliwia użytkownikowi
swobodny dostęp do wszystkich parametrów zawartych w przemienniku częstotliwości, np. odczyt
komunikatów o błędach i zakłóceniach oraz dostarcza wszelkich informacji diagnostycznych.
2.1 Cykliczne przesyłanie danych
Struktura danych użytkownika podzielona została na obszary PZD i PKW w celu spełnienia
funkcjonalnych wymagań w całym systemie komunikacji. Dane procesowe PZD są zawsze
transmitowane i wykonywane w napędzie o wyższym priorytecie w jak najkrótszych odcinkach
czasowych. W pierwszym kanale, zgodnie ze standardem PROFIdrive przesyłane jest słowo sterujące,
a w kolejnych wybrane dane procesowe. Schemat struktury komunikacji cyklicznej przedstawiono na
Rys. 7
PZD 1
PZD 2
Sterownik
S7-300
Słowa
wyjściowe
PZD 6
Falownik
Simovert
MasterDrivers
Sieć
PROFIBUS
PZD 1
PZD 2
Słowa
stanu
PZD 6
Rys. 7 Struktura organizacji komunikacji cyklicznej w sieci PROFIBUS
W obszarze danych procesowych PZD w sieci PROFIBUS, pomiędzy jednostką Master (SIMATIC
S7300 i S7400) a jednostką Slave (przemiennik SIMOVERT) możemy przesyłać słowa sterowania i
wartości zadane oraz odbierać w PLC słowa stanu i wartości aktualne. Za pomocą zakresu parametru
PKW możemy kontrolować lub zmieniać dowolne parametry zawarte w przemienniku SIMOVERT.
2.2 Acykliczne przesyłanie danych
W przypadku acyklicznego kanału przesyłu danych (Rys. 8), nie ma możliwości zadawania i
zmiany zakresu danych procesowych PZD. Natomiast zakres PKW (wartość identyfikatora parametru)
umożliwia obserwację oraz zmianę dowolnego parametru urządzeniu Slave – przemiennik
SIMOVERT.
Rys. 8 Budowa zakresu danych parametru PKW za pomocą acyklicznej komunikacji danych,
[kompendium dokumentacji Siemensa]
SIMLOGIC.
ul. Demokratyczna 117
93-348 Łódź
tel. 042 648 66 77
tel. 042 648 67 07
fax: 042 648 67 00
www.simlogic.pl
[email protected]
[email protected]
Strona - 6
AUTORYZOWANE CENTRUM
SERWISOWO – SZKOLENIOWO - KOMPETENCYJNE
Za pomocą kanału acyklicznego możemy przesyłać w jednym czasie większą ilość danych niż w
cyklicznym kanale przesyłania danych. Dzięki temu rozwiązaniu, cała jednostka danych wyłącznie
bierze udział w transmisji parametrów. W jednym bloku danych możemy maksymalnie przesłać 206
bajtów, gdzie wszystkie wartości tablicy są przesyłane szeregowo tzn. jedna wartość za drugą.
2
Wymiana danych procesowych pomiędzy sterownikiem SIMATIC i napędami
SIMOVERT za pomocą sieci PROFIBUS i karty komunikacyjnej CBP2
Komunikacja pomiędzy sterownikiem PLC (SIMATIC S7), a jednostką Slave (napęd
SIMOVERT), odbywa się poprzez kartę komunikacyjną CBP (karta komunikacyjna), która zapewnia
odbiór oraz transmisję wszystkich informacji. Parametry konfiguracyjne oraz graficzną strukturę
danych procesowej, do której użytkownik posiada pełny dostęp, przedstawia Rys.9.
Rys. 9 Schemat funkcjonalny wymiany sygnałów karty komunikacyjnej CBP w technice BICO,
[kompendium dokumentacji Siemensa]
Zakres słów PZD składa się z ośmiu kanałów, z których każdy składa się z dwóch słów 16-to
bitowych. Natomiast każdemu słowu można przypisać konektor, a do każdego konektora użytkownik
może wybrać zadeklarowane 16 binektorów. Jedna karta komunikacyjna może przesłać lub odebrać
256 bitów, a w przemienniku SIMOVERT można zainstalować dwie karty CBP. Przykładowo w
napędzie, dostęp do bitów słowa sterującego (konektor K3001) uzyskujemy przez odwołanie do
poszczególnych binektorów kanału pierwszego z zakresu B3100 – B3115. Zgodnie ze standardem
PROFIdrive, binektor B3100 odpowiada za bit ZAŁ/WYŁ, a B3115 za błąd zewnętrzny.
2.1 Transmisja danych przez kartę komunikacyjną CBP
Dane wysyłane do sterownika SIMATIC muszą zostać wcześniej przygotowane w napędzie
SIMOVERT. W odpowiednim parametrze użytkownik deklaruje, które wielkości statusowe są
transmitowane do jednostki nadrzędnej Master. Należy pamiętać, że deklarując odpowiedni typ
danych obiektowych (typ PPO), wybieramy ilość danych, które biorą udział w komunikacji pomiędzy
napędem, a sterownikiem – Rys. 10.
SIMLOGIC.
ul. Demokratyczna 117
93-348 Łódź
tel. 042 648 66 77
tel. 042 648 67 07
fax: 042 648 67 00
www.simlogic.pl
[email protected]
[email protected]
Strona - 7
AUTORYZOWANE CENTRUM
SERWISOWO – SZKOLENIOWO - KOMPETENCYJNE
Rys. 10 Mechanizm wymiany danych i definicja danych wysyłanych do sterownika SIMATIC,
[kompendium dokumentacji Siemensa]
W powyższym diagramie funkcyjnym przedstawiona został mechanizm transmisji słów
pomiędzy napędem a sterownikiem. Transmisja ta odbywa się za pomocą dwóch zakresów słów PKW
i PZD. Zakres słów PKW podzielony jest na cztery słowa. Natomiast w zakresie słów PZD odbywa się
transmisja 16-tu słów, która polega na tym, że gdy mamy wybrany konektor podwójnego słowa, to
podłączamy go do dwóch konektorów o następujących po sobie indeksach. Wówczas ten konektor
transferowany jest jako 32-bitowe słowo. Natomiast każdy konektor 16-bitowy o pojedynczej długości
słowa, w zakresie słów PZD, przydzielony jest do osobnego kanału.
2.2 Organizacja wymiany danych w strukturze przekształtnika
Aby sterować układem przekształtnikowym za pomocą sterownika SIMATIC i sieci
PROFIBUS, aby np. móc odczytywać stany w jakich znajduje się przekształtnik, należy przygotować i
przeprowadzić procedurę parametryzacji:
- za pomocą oprogramowania STEP 7 i HW Config należy przygotować projekt sprzętowy z
konfiguracją sieci PROFIBUS i systemem napędowym – Rys. 11. We właściwościach napędu
„podłączonego” do sieci należy wybrać tryb adresowania PPO. Po wybraniu zostaną podane
informacje o adresach wejść/wyjść dla zakresu obszaru parametrów PKW oraz danych procesowych
,,Actual value/Setpoint”,
Rys. 11 Projekt sprzętowy, konfiguracja sieciowa systemu sterowania, [oprogramowanie narzędziowe
Siemensa – koncepcja TIA]
- za pomocą oprogramowania DriveMonitor, należy odpowiednio przypisać w parametrach
konfiguracyjnych, słowa sterujące oraz słowa stanu – Rys. 12. Diagram i rozkład bitów słowa
SIMLOGIC.
ul. Demokratyczna 117
93-348 Łódź
tel. 042 648 66 77
tel. 042 648 67 07
fax: 042 648 67 00
www.simlogic.pl
[email protected]
[email protected]
Strona - 8
AUTORYZOWANE CENTRUM
SERWISOWO – SZKOLENIOWO - KOMPETENCYJNE
sterującego odpowiada standardowi PROFIdirive. Następną ważną rzeczą jest przesłanie stanu napędu
do sterownika za pomocą słowa stanu pierwszego i drugiego.
Rys. 12 Słowo sterujące w strukturze sterowania przemiennikiem SIMOVERT realizującym zadania
za pomocą sterownika SIMATIC i sieci PROFIBUS, [kompendium dokumentacji i oprogramowanie
narzędziowe Siemensa – koncepcja TIA]
- W celu sterowania napędem SIMOVERT za pomocą sterownika SIMATIC poprzez sieć
PROFIBUS, należy stworzyć program w Edytorze LAD/STL/FBD pakietu STEP7.
Użytkownik ma tutaj możliwość sterowania przekształtnikiem za pomocą dwóch pierwszych słów
PZD1 i PZD2 zawartych w obszarze PPO2. Słowa te, są wysyłane podczas komunikacji ze sterownika
PLC do falownika, jako dwa słowa wyjściowe sterujące oraz jako dwa słowa wejściowe stanu, które
są wysyłane przez falownik do sterownika – Rys. 13.
Rys. 13 Program przykładowy w STEP 7 do realizacji funkcji słowa sterującego w SIMOVERT
MASTERDRIVES VC, [materiał z pracy dyplomowej]
Struktura tworzonego programu będzie zależała od tego, czy w komunikacji, do wymiany danych,
wykorzystuje się funkcje systemowe SFC14 i SFC15 lub czy korzystamy z pakietu DriveES
(koncepcja TIA Siemensa). Pakiet DriveES pozwala programiście na bezpośredni dostęp do napędu
jak do obszarów peryferyjnych i ich adresację.
SIMLOGIC.
ul. Demokratyczna 117
93-348 Łódź
tel. 042 648 66 77
tel. 042 648 67 07
fax: 042 648 67 00
www.simlogic.pl
[email protected]
[email protected]
Strona - 9
AUTORYZOWANE CENTRUM
SERWISOWO – SZKOLENIOWO - KOMPETENCYJNE
3 Sieciowa analiza stanów pracy napędów falownikowych w pojazdach podawarki
Koncepcja całkowitej integracji automatyki, opracowana przez Siemensa, pozwala użytkownikowi
systemu również na diagnostykę sieci przemysłowej realizującej zadania na obiekcie maszyny. W celu
odczytu informacji diagnostycznych należy wspomóc się opcją ,,Hardware Diagnostic” w
oprogramowaniu ,,Simatic Manager”. Wówczas dostępny jest podgląd stanów wszystkich modułów,
które sygnalizują błędy. Po przejściu w stan ,,Online”, cała konfiguracja wyświetla aktualne
informacje o błędach w sieci oraz analizuje dostępność wszystkich stacji sieciowych. Brak dostępu do
stacji jest sygnalizowany poprzez przekreślenie na czerwono ikony symbolizującej DP slave.
Natomiast od strony przemiennika jako uczestnika sieci, w trakcie rozruchu lub pracy układu, istnieje
możliwość rejestracji przebiegów wielkości elektromechanicznych w czasie. Na podstawie analizy
tych przebiegów, użytkownik może stwierdzić poprawność pracy układów SIMOVERT, brak usterek,
czy zakłóceń oraz może diagnozować i przeciwdziałać ewentualnym nieprawidłowościom i
zakłóceniom w pracy urządzeń – Rys. 14.
Rys. 14 Elektromechaniczne przebiegi czasowe z zaznaczonymi bitowymi informacjami sygnałów
sterujących, [materiał z pracy dyplomowej]
W części praktycznej, do analizy rozruchu silnika indukcyjnego wybrano następujące przebiegi
elektromechaniczne: dwustanowe sygnały sterujące pracą napędu, przebiegi prędkości zadanej i
rzeczywistej oraz składowe prądu stojana. W sterowaniu wektorowym silnika asynchronicznego
ważny jest model matematyczny silnika, który odwzorowany zostaje jako obiekt w algorytmie
sterowania. Po przekształceniach, dostępne są dwie składowe prądu stojana, z których (w
uproszczeniu) jedna składowa odpowiada za strumień magnetyczny (Isd), a druga składowa
odpowiada za moment silnika (Isq). Na Rys. 14 zaprezentowano wynik rejestracji wykonanej w
wybranych urządzeniu Slave za pomocą sieci PROFIBUS i sterownika SIMATIC. W chwili t1
przekształtnik otrzymuje sygnał „Załącz” od sterownika. Sygnał statusowy widoczny na przebiegu
opisany jako „Gotowy do zał.” zmienia stan z wysokiego na niski – oznacza to stan Praca. Analizując
sygnał „Praca” wyraźnie widać, iż pomimo odebrania sieciowego rozkazu „Załącz” od sterownika
SIMATIC, przekształtnik nie uruchamia się. Opóźnienie to wynika z faktu ładowania obwodu
kondensatorów w członie DC przekształtnika. W chwili zakończenia ładowania wstępnego, na
zaciskach wyjściowych falownika pojawia się napięcie (chwila t2). Rozpoczyna się proces rozruchu.
Należy zauważyć, że pomimo pojawienia się napięcia wyjściowego na zaciskach falownika silnik nie
obraca wirnika. Stwierdzamy to na podstawie przebiegu prędkości oraz świadczy o tym sygnał niski
potwierdzenia otwarcia luzownika opisany jako „Luzownik otwórz”. W chwili t2 widać, że jedna
składowa prądu (składowa Isd) zaczyna narastać (wzbudzenie). Ustala się stan strumienia
magnetycznego silnika. Widać wyraźnie, że stan ten ustala się dopiero w chwili t4. Wcześniej pojawia
się składowa prądu (Isq) odpowiedzialna za generowanie momentu. Silnik zaczyna się obracać
dopiero w chwili t3, gdy luzownik zostaje odblokowany (podniesiony) – sygnał „Luzownik otwórz”
zmienia stan na wysoki. Analizowany układ napędu jazdy podawarki jest tak skonfigurowany, że
koniecznym jest pojawienie się wstępnego momentu rozruchowego (moment startowy). Wówczas, w
obwodzie regulacji, kontrolowany jest prąd wyjściowy falownika i jeśli jego wartość przekroczy
odpowiedni próg luzownik może zostać otwarty, czym umożliwia prace silnika.
SIMLOGIC.
ul. Demokratyczna 117
93-348 Łódź
tel. 042 648 66 77
tel. 042 648 67 07
fax: 042 648 67 00
www.simlogic.pl
[email protected]
[email protected]
Strona - 10
AUTORYZOWANE CENTRUM
SERWISOWO – SZKOLENIOWO - KOMPETENCYJNE
4 Podsumowanie i wnioski
Tematyka konfiguracji, diagnostyki i wymiany danych procesowych w sieciach przemysłowych
omawia zagadnienia związane z budową, funkcjonowaniem i wymianą danych procesowych
pomiędzy jednostkami pracującymi w zaawansowanych i rozległych strukturach sieciowych.
Zaprezentowano zarówno sposób konfigurowania przykładowego systemu sterowania, jak i
zaprezentowano możliwości diagnostyki w projektowanych strukturach sieciowych. Jednocześnie
zwrócono uwagę na zagadnienia komunikacyjne w napędach przemysłowych, jako uczestników Slave
sieci przemysłowej PROFIBUS. W obszernej części praktycznej zostały opisane popularne standardy
komunikacyjne występujące w rozwiązaniach przemysłowych koparek węgla brunatnego. W artykule
i w pracy dyplomowej, omówiono oprogramowanie narzędziowe i specjalizowane, dedykowane do
sterowników PLC SIMATIC oraz przekształtników SIMOVERT firmy Siemens. W części praktycznej
pracy został przygotowany projekt programowo-sprzętowy oraz wykonano badania na obiekcie
przemysłowym z rejestracją przebiegów wielkości elektromechanicznych. Przedstawiono wyraźnie
sposób tworzenia struktur rozległych sieci przemysłowych, konfigurowania, uruchamiania i
diagnostyki systemów sterowania na obiektach. Zaprezentowano przy tym możliwość diagnostyki
struktur sterowania bez konieczności ingerencji w opracowany układ automatyki występujący na
koparce. Dodatkowo praca została wzbogacona o przebiegi dynamiczne zarejestrowane w układzie
napędowym pojazdów podawarki. Wykonanie takiej pracy pozwoliło opanować szereg zagadnień
istotnych i występujących w trakcie sterowania i regulacji sieciowych układów sterowania, gdzie
najważniejszym zagadnieniem jest zarówno odpowiedni dobór wielkości procesowych do wymiany
danych, optymalizacja nastaw układów regulacji, jak i poprawna konfiguracja struktur danych
procesowych wymienianych między poszczególnymi jednostkami. Przeprowadzone badania
pozwoliły przede wszystkim poznać szereg aspektów istotnych w trakcie konfigurowania,
uruchamiania i diagnostyki systemu sterowania. Np. dla prawidłowej komunikacji pomiędzy
sterownikiem Master, a napędem falownikowym Slave, ważnym staje się odpowiedni dobór prędkości
transmisji do wymiany danych, optymalna konfiguracja danych wymienianych między jednostkami,
długość segmentów sieci i liczba uczestników.
W rzeczywistym układzie przemysłowym jakim jest napęd pojazdów podawarki prędkość wymiany
danych skonfigurowana jest na 1,5 Mb/s. Wydaje się, że w danym rozwiązaniu jest to wystarczająca
prędkość transmisji danych. Zwiększenie prędkości wymiany danych w tym konkretnym przykładzie
mogłoby się wiązać z większymi zakłóceniami w transmisji informacji spowodowanymi znacznymi
odległościami między stacjami pracującymi w jednej sieci. Oprogramowanie firmy Siemens daje
użytkownikowi ogromne możliwości zarządzania od konfiguracji przez uruchomienie aż po
użytkowanie i diagnostykę systemu automatyki. Koncepcja TIA pozwala analizować oraz rejestrować
sygnały sterujące, przebiegi wielkości charakterystycznych oraz usuwać ewentualne błędy i
nieprawidłowości.
Autorzy dziękują Kierownictwu Katedry Informatyki Stosowanej Politechniki Łódzkiej Dyrekcji i
Kierownictwu Kopalni, Dyrekcji i Kierownictwu A&D Siemens, za dostęp do sprzętu i
nietuzinkowych obiektów przemysłowych oraz możliwość realizacji tak ciekawych prac
poznawczych.
Dyplomant:
inż. Łukasz Błaszczyk
BOT Kopalnia Węgla
Brunatnego Bełchatów S.A.
Opiekun pracy:
dr inż. Mariusz Jabłoński
Politechnika Łódzka
Katedra Informatyki Stosowanej
[email protected]
Praca dyplomowa powstała przy współpracy z firmą SIMLOGIC.
SIMLOGIC.
ul. Demokratyczna 117
93-348 Łódź
tel. 042 648 66 77
tel. 042 648 67 07
fax: 042 648 67 00
www.simlogic.pl
[email protected]
[email protected]
Strona - 11