Moduł 6 Instalacje sieci automatyki przemysłowej

Moduł 6
Instalacje sieci automatyki przemysłowej
1.
2.
3.
4.
Wstęp
Elementy i urządzenia automatyki
Silniki
Regulator
1. Wstęp
W sieciach automatyki przemysłowej występują układy regulacji i sterowania.
Sterowanie odbywa się w układzie otwartym i polega na celowym oddziaływaniu
sygnałów sterujących na przyrządy, urządzenia technologiczne lub maszyny robocze.
Układ sterowania składa się z urządzenia sterującego i obiektu sterowania na który
oddziałują sygnały sterujące bez bieżących pomiarów i korekcji procesu.
Ze względu na postać sygnałów rozróżnia się sterowanie:
– analogowe, gdy stosowane są sygnały ciągłe,
– binarne, gdy stosowane są sygnały dwuwartościowe,
– cyfrowe, gdy stosowane są sygnały w postaci cyfrowej.
Ze względu na rodzaj sygnału rozróżnia się sterowanie: mechaniczne, elektryczne,
pneumatyczne, hydrauliczne
Sterowanie kombinacyjne występuje wtedy, gdy sygnał sterujący powstaje w wyniku
powiązania kilku sygnałów, natomiast jeśli kolejne czynności sterujące wykonywane są
krok po kroku mówimy o sterowaniu sekwencyjnym.
Współcześnie w sieciach automatyki przemysłowej realizuje się sterowanie programowalne z wykorzystaniem sterowników PLC (sterowników mikroprocesorowych).
W otwartym układzie sterowania urządzenie sterujące nie otrzymuje zwrotnej informacji o aktualnej wartości sygnału sterowanego. W układzie zamkniętym, układzie
regulacji, występuje sprzężenie zwrotne, czyli przekazanie informacji z wyjścia układu
na jego wejście, zatem urządzenie sterujące otrzymuje informację o aktualnej wartości
sygnału sterowanego, która następnie wpływa na przebieg sterowania.
Układy sterowania otwartego występują we wszelkich rodzajach automatach
o działaniu cyklicznym np.: sterujących oświetleniem.
W nowoczesnych sieciach automatyki przemysłowej układ sterujący składa się z:
urządzenia wejściowego, przetwarzającego i urządzenia wyjściowego.
Urządzenia wejściowe to wszelkiego rodzaju czujniki, łączniki, przyciski elektryczne,
które przekazują sygnały do urządzenia przetwarzającego. Z kolei urządzenia przetwarzającego na podstawie sygnałów wejściowych według zadanego programu (ciągu
funkcji logicznych) wypracowuje sygnały sterujące. Urządzenia wyjściowe czyli wykonawcze oddziałują bezpośrednio na obiekt sterowania np. przekaźniki, styczniki, tyrystory, zawory hydrauliczne i pneumatyczne, silniki wykonawcze prądu stałego i zmiennego, silniki krokowe, silniki liniowe, siłowniki, bezstykowe elementy załączające i sterujące mocą.
Sterowanie w układzie zamkniętym to regulacja. Wówczas układ sterowania nazywamy układem regulacji, obiekt sterowania – obiektem regulacji, urządzenie sterujące –
urządzeniem regulującym czyli regulatorem. W układzie regulacji mogą również pojawić
się zakłócenia czyli wszelkie inne oddziaływania, na obiekt utrudniające realizację procesu regulacji.
Regulacja to celowe oddziaływanie na wielkość regulowaną mierzoną na bieżąco,
tak aby była podobna do wielkości zadanej. W procesie regulacji występują trzy podstawowe sygnały: wielkość zadana, odchyłka regulacji i wielkość regulowana.
Charakterystyczne dla wszystkich układów regulacji jest tzw. ujemne sprzężenie
zwrotne polegające na wprowadzeniu do regulatora sygnału regulowanego.
2
Rys. 6. 1
Schemat blokowy układu regulacji Schmidt D., Baumann A., Kaufmann Schmidt D., Baumann A., Kaufmann
H., Paetzold H., Zippel B.: Mechatronika REA H., Paetzold H., Zippel B.: Mechatronika REA Warszawa 2002,
s. 208
W sieciach automatyki przemysłowej stosuje się regulację automatyczną stałowartościowa i nadążną. Regulacja stałowartościowa utrzymuje daną wartości wielkości
regulowanej, natomiast regulacja nadążna zapewnia nadążanie wielkości regulowanej
za zmianami wartości zadanej.
Układy regulacji ciągłej przetwarzają sygnały analogowe, a wielkość sterująca może
przyjmować dowolne wartości z dopuszczalnego obszaru zmienności. Regulatory ciągłe
najczęściej budowane są w oparciu o elektroniczne wzmacniacze operacyjne.
W układach regulacji dwustanowej (binarnej) występują sygnały binarne, natomiast
w układach regulacji cyfrowej sygnały maja postać cyfrową.
Regulacja nieliniowa charakteryzuje się tym, że wartość wielkości podawanej do
obiektu może przyjmować tylko dwie lub kilka wybranych wartości. Najczęściej spotykane metody regulacji nieliniowej to regulacja dwustawna i trójstawna.
Regulatory dwustanemają dwajednoznacznie określone stany sygnału wejściowego,
a ich parametrem charakterystycznym jest histereza przełączania określająca różnicę
wartości stanów sygnału wyjściowego. Najczęściej stosuje się je w układach regulacji
temperatury, ciśnienia czy poziomu cieczy.
Regulatory trójstanowe mają trzy jednoznacznie określone stany sygnału wejściowego.
2. Elementy i urządzenia automatyki
Ze względu na funkcje jakie spełniają w układach automatyki elementy i urządzenia
dzielimy na: pomiarowe, wykonawcze i tzw. części centralnej .
Elementy w układzie automatyki spełniają proste funkcje, takie jak: wzmocnienie czy
porównanie sygnałów, zmianę postaci sygnału. Elementami są zatem: czujniki pomiarowe, zawory, wzmacniacze itp. Natomiast urządzenia układów automatyki spełniają
bardziej złożone funkcje np. pomiarowe, wykonawcze czy nadzorujące przebieg procesu technologicznego. Urządzenie pomiarowe, składaj się z czujników i przetworników
pomiarowych, urządzenie wykonawcze z elementów nastawczych i napędowych.
Ze względu na sposób zasilania elementy i urządzenia automatyki możemy podzielić
na: pneumatyczne, hydrauliczne, elektryczne i elektroniczne.
3
Rys. 6. 2
Schemat blokowy układu regulacji Kostro J.: Elementy, urządzenia i układy automatyki. WSiP, Warszawa
1997, s. 12
Układ regulacji składa się z: urządzenia pomiarowego, regulatora oraz urządzenia
wykonawczego.
Zasadniczo urządzenie pomiarowe składa się z czujnika i przetwornika, który stosowany jest wówczas, gdy wielkość wyjściowa czujnika nie nadaje się do bezpośredniego
wykorzystania i wymaga przetworzenia.
Urządzenia pomiarowe dostarczają informacji o bieżącej wartości kontrolowanych
parametrów i wytwarzają sygnał dla regulatora. Nowoczesne rozwiązania konstrukcyjne są odpowiednio rozbudowane, tak że urządzenia pomiarowemogą dodatkowo rejestrować i opracowywać wyniki pomiarów, ora sygnalizować nadmierne odchyłki od
pożądanej wartości określonych wielkości.
Wielkość mierzona bezpośrednio oddziałuje na czujnik, natomiast sygnał wyjściowy
czujnika zmienia się wraz ze zmianą mierzonej wielkości fizycznej. Przetwornik przekształca sygnał wyjściowy czujnika na standardowy sygnał elektryczny lub pneumatyczny w celu umożliwienia połączenie układów pomiarowych z innymi urządzeniami
wchodzącymi w skład układów regulacji.
Czujniki pomiarowe charakteryzują:
– zakres, czyli dopuszczalny przedział zmian sygnału wyjściowego
– charakterystyka przetwarzania,
– czułość, która ma istotny wpływ na dokładne przetwarzanie i przesyłanie informacji,
– odporność na zakłócenia,
– bezwładność, szczególnie istotna przy pomiarach szybkozmiennych.
Najczęściej spotykane rodzaje czujników to:
– czujniki temperatury czyli termometry, które mogą być: stykowe jeśli bezpośrednio stykają się z mierzonym obiektem lub bezstykowe gdy nie stykają się z
mierzonym obiektem
4
a)
Rys. 6. 3
b)
Rys. 6. 4
c)
Rys. 6. 5
d)
Rys. 6. 6
Czujnik temperatury a) do pomiaru temperatury łożysk b)termoelektryczny, rezystancyjny c) kablowy
d)płaszczowy http://www.termoaparatura.com.pl/pl/product/
– czujniki ciśnienia (manometry),
Rys. 6. 7
Czujnik ciśnieniahttp://www.festo.com/cat/pl_pl/products_SOPA
– poziomomierze czyli czujniki poziomu cieczy,
Rys. 6. 8
Czujniki poziomu http://www.pneumatyka.org/produkty/czujniki/151
5
– czujniki stosowane w systemach alarmowych, które mają za zadanie wykrywać
i przekazywać sygnały o zagrożeniu.
Wszystkie rodzaje czujników są podzielone na różne typy ze względu na budowę, zastosowanie i zasadę działania.
a)
b)
Rys. 6. 9
Rys. 6. 10
przetwornik pomiarowy temperatury a) do montażu na listwie DIN
http://www.termoaparatura.com.pl/pl/product
a)
Rys. 6. 11
b)
Rys. 6. 12
b) głowicowy
c)
Rys. 6. 13
Symbole
a)
manometru
b)
http://www.bthdaniel.pl/symbole.html
wskaźnika
poziomu
cieczy
c)
termometru
Urządzenie wykonawcze w układzie regulacji w odpowiedzi na sygnał z regulatora
zmieniają wartość wielkości nastawiającej, tak aby realizowany był zamierzony przebieg procesu.
Urządzenie wykonawcze składa się z :
 elementu nastawczego np. zaworu, przepustnicy, dozownika, pompy o zmiennym
wydatku, dławika, dzielnika napięcia, transformatora;
 elementu napędowego np. silnika, siłownika, pompy, zespołu napędowego, itp.,
dostarczającego energii mechanicznej, niezbędnej do przestawienia elementu
nastawczego według sygnału podanego z regulatora;
 wzmacniacza mocy.
Elementy nastawcze oddziałują na przepływ energii lub materiału do i od obiektu.
Najczęściej stosowanym elementem nastawczym w sieciach automatyki przemysłowej
są zawory(sterowane elektrycznie to elektrozawory) służące do zmiany strumienia
cieczy, pary lub gazów w przewodach rurowych.
6
Rys. 6. 14
Elektrozawory sterujące przepływem wody, oleju i powietrza cewka zaworu elektromagnetycznego
http://sklep.elektrozawory.pl/elektrozawory_21AKVhttp://www.plcs.net.pl/index.php/
sterowania/symbole-i-oznaczenia-elektryczne
Zawory mają różną konstrukcję, działanie i przeznaczenie stąd różnorodność ich symboli poniżej pokazano kilka przykładowych symboli.
Zawór sterujący kierunkiem przepływu – odcinający, sterowany
dźwignią – dwie drogi przepływu, dwa niezależne połączenia.
Zawór sterujący kierunkiem przepływu – sterowany dźwignią,
powrót sprężyną – dwie drogi przepływu, dwa niezależne połączenia.
Zawór sterujący kierunkiem przepływu – sterowany za pomocą
elektromagnesów, ustalany w położeniu środkowym sprężynami
– trzy drogi przepływu, trzy niezależne połączenia
Rys. 6. 15
Symbole zaworów http://www.bthdaniel.pl/symbole.html
Elementem nastawczym może być też przepustnica, dozownik, pompa o zmiennym
wydatku, dławik, dzielnik napięcia, transformator.
3. Silniki
W układach automatyki stosuje się różne rodzaje silników np.: indukcyjny dwufazowy i obcowzbudny prądu stałego, specjalnie skonstruowane silniki np.: momentowy,
krokowy oraz niektóre silniki synchroniczne.
7
Symbol silnika elektrycznego
Rys. 6. 16
a)
Rys. 6. 17
http://www.bthdaniel.pl/symbole.htmlSilnik
http://www.tme.eu/pl/katalog
a)
b)
krokowy
,
Rys. 6. 18
b)
prądu
stałego
Wykonawcze silniki elektryczne muszą spełniać następujące wymagania: łatwość
sterowania w szerokich granicach prędkości obrotowej ze zmianą kierunku ruchu
włącznie, duża szybkość reagowania na zmianę sterowania, liniowość charakterystyk,
duży moment rozruchowy, możliwość pracy przy nieruchomym wirniku, samohamowność, wysoka niezawodność, małe wymiary.
Silniki prądu stałego przekształcają sygnał elektryczny czyli napięcie sterujące na
przemieszczenie mechaniczne (prędkość kątową lub położenie kątowe).
Silnik momentowy przetwarza sygnał elektryczny na położenie wału silnika. Przy
braku obciążenia stałemu sygnałowi odpowiada ustalone położenie wału. Jeżeli pod
wpływem zewnętrznego momentu sił wał silnika odchyli się od położenia ustalonego,
to w silniku wytworzy się moment zwrotny (silnik zachowa się jak sprężyna).
Silniki momentowe nie są stosowane jako samodzielne elementy wykonawcze, lecz
pełnią w nich rolę pomocniczą np. w urządzeniach elektrohydraulicznych i
elektropneumatycznych.
Silniki krokowe przetwarzają impulsy elektryczne na przesunięcie kątowe od 1° do
180° lub liniowe. Silniki krokowe umożliwiają zmniejszenie liczby elementów i uproszczenie systemu sterowania, charakteryzują się dużą dokładnością, mogą eliminować całkowicie sprzężenie zwrotne, szczególnie nadają się do współpracy z cyfrowymi urządzeniami sterującymi i dlatego znalazły zastosowanie w obrabiarkach sterowanych numerycznie.
W niektórych układach napędowych, w których są potrzebne przemieszczenia
o specjalnych wymaganiach, np. przemieszczenia liniowe lub kątowe, stosuje się tzw.
serwomechanizmy czyli układy automatycznej regulacji wraz z częścią wykonawczą,
nazywaną siłownikiem lub serwosilnikiem, zapewniającą uzyskanie przesunięcia.
Serwomechanizmy są stosowane np. podczas przestawiania zaworów lub ustawiania
obrabianego przedmiotu ( narzędzia) w obrabiarkach sterowanych numerycznie. Znalazły również zastosowanie jako wzmacniacze momentu umożliwiające sterowanie urządzeniami wymagającymi stosowania dużych sił napędowych za pośrednictwem sygnałów niewielkiej mocy.
Siłowniki są to elementy napędowe służące w układach regulacji automatycznej do
nastawiania położenia zaworów i przepustnic. Rozróżniamy siłowniki elektryczne, elektrohydrauliczne, elektropneumatyczne pneumatyczne i hydrauliczne. Najczęściej sto8
sowane są siłowniki pneumatyczne.
Siłowniki elektryczne wykonuje się jako: silnikowe i elektromagnetyczne. Siłowniki
elektryczne silnikowe mogą być korbowe lub liniowe. Silniki w siłowniku pracują systemem załączony-wyłączony. Siłowniki elektryczne są wyposażone w wyłączniki krańcowe do wyłączenia silnika zanim zostanie on zahamowany (zabronione jest pozostawienie silnika pod napięciem znamionowym w stanie zahamowanym) oraz urządzenia do
sygnalizacji położenia ( najczęściej są to potencjometry).
Rys. 6. 19
Rys. 6. 20
Rys. 6.21
Siłownik liniowy https://www.elfaelektronika.pl, siłownik elektromagnetyczny, siłownik elektryczny
Symbole używane w programach CAD http://www.ige-xao.pl/cad-elektryczny/AKP_Napedy.
Siłowniki elektromagnetyczne stosuje się do sterowania zaworów „otwarty – zamknięty” o niewielkich średnicach nominalnych, szczególnie w napędach zaworów odcinających. przepływ prądu przez uzwojenie elektromagnesu powoduje powstanie siły
wciągającej rdzeń do góry. Ruch ten powoduje całkowite otwarcie zaworu. Gdy zostanie
wyłączony prąd zasilający to sprężyna zamknie zawór. Spotyka się konstrukcje odwrotne tzn., że załączenie elektromagnesu spowoduje zamknięcie zaworu, a wyłączenie –
otwarcie.
4. Regulator
Zadaniem regulatora w układzie regulacji jest wyznaczenie uchybu regulacji oraz
ukształtowanie sygnału wyjściowego o wartości zależnej od wartości uchybu regulacji,
czasu występowania uchybu i szybkości jego zmian. Regulator musi także zapewnić sygnałowi wyjściowemu postaci i mocy potrzebną do uruchomienia urządzeń wykonawczych.
Ze względu na dostarczaną energię regulatory mogą być bezpośredniego działania,
oraz pośredniego działania – wymagające dostarczenia energii pomocniczej: pneumatyczne, hydrauliczne, elektryczne.
Ze względu na rodzaj sygnału wyjściowego regulatory możemy podzielić na:
– analogowe, gdzie sygnał wyjściowy ma postać ciągłą – regulatory typu P, I, PI, PD,
PID,
– dyskretne, gdzie sygnał wyjściowy ma postać nieciągłą – regulatory dwustawne,
trójstawne, krokowe, impulsowe, cyfrowe.
Regulatory analogowe (liniowe) posiadają człony dynamiczne formujące sygnał sterujący:
– człon proporcjonalny, wzmacniający sygnał wejściowy,
– człon różniczkujący, którego sygnał wyjściowy jest dodatni gdy sygnał wejściowy
narasta, jest ujemny – gdy maleje,
– człon całkujący, którego sygnał wyjściowy narasta, gdy sygnał wejściowy jest dodatni, a maleje gdy sygnał wejściowy jest ujemny.
Ze względu na rodzaj stosowanych członów formujących sygnał sterujący wyróżnia9
my następujące typy regulatorów:
– regulator typu P, realizujący działanie proporcjonalne,
– regulator typu I, realizujący działanie całkujące,
– regulator typu PI, realizujący działanie proporcjonalno-całkujące,
– regulator typu PD, realizujący działanie proporcjonalno-różniczkujące,
– regulator typu PID, realizujący działanie proporcjonalno-całkująco-różniczkujące.
Regulator proporcjonalny P charakteryzuje się tym, że wartość sygnału wyjściowego
regulatora jest proporcjonalna do wartości uchybu regulacji.
W regulatorze całkujący prędkość zmian sygnału wyjściowego jest proporcjonalna
do wartości uchybu regulacji.
Sygnał wyjściowy regulatora proporcjonalno-całkującego PI jest sumą działania
członu proporcjonalnego i całkującego.
Regulator proporcjonalno-różniczkujący PD powstaje przez dodanie do działania
proporcjonalnego działania różniczkującego. Działanie różniczkujące regulatora polega
na tym, że wartość sygnału wyjściowego jest proporcjonalna do prędkości zmian uchybu
regulacji.
Regulator dwustawny , daje na wyjściu sygnał przyjmujący tylko dwa stany, umownie nazywane 0 i 1, które odpowiadają za załączenie lub wyłączenie dopływu energii
(np. załączenie lub wyłączenie wyłącznika) lub materiału do obiektu (zamykanie lub
otwieranie zaworu). Regulację dwustawną stosuje się do regulacji obiektów charakteryzujących się dużymi bezwładnościami, np.: obiektów cieplnych czy zbiorników.
Sygnał wyjściowy regulatora trójstawnego (trójpołożeniowego) może przyjmować
jedną z trzech wartości, oznaczonych jako –1, 0 i 1.
Regulację trójstawną stosuje się np. w sterowaniu napędu elektrycznego – ruch w
lewo, hamowanie, ruch w prawo.
Obecnie regulatory mogą być skonstruowane jako skomplikowane urządzenia mikroprocesorowe o określonym przeznaczeniu np. regulatory temperatury, natomiast w
sieciach automatyki przemysłowej najczęściej są realizowane w sposób programowy,
jako moduły oprogramowania sterowników PLC.
Urządzenia rejestrujące dokonują rejestracji wyników pomiarów, są pomocne w wykrywaniu przyczyn ewentualnych awarii, ocenie prawidłowość pracy obsługi.
Powszechnie stosowane są mikroprocesorowe rejestratory z ekranem LCD pozwalające na wizualizację, rejestrację i archiwizację parametrów procesów przemysłowych.
Urządzenie takie może być wyposażone w kolorowy wyświetlacz, wewnętrzną twardy
dysk, kartę pamięci. Wyświetlacz LCD pozwala przedstawić rejestrowane dane w różnych formach wizualizacji. Na ekranie można obserwować dane zbierane na bieżąco
oraz dane zapisane w pamięci rejestratora. Wprowadzenie danych wejściowych rejestratora i ustawień programowych można dokonać poprzez klawiaturę na rejestratorze lub
za pośrednictwem interfejsu z komputera. Rejestrator posiada uniwersalne wejście,
dzięki czemu może współpracować z wszystkimi rodzajami czujników termoparowych i
termorezystancyjnych.
10
Rys. 6. 22
Mikroprocesorowy rejestrator z ekranem LCD serii BR Katalog Dacpolu. Podzespoły do automatyki. 2006
s.175
Współcześnie układy automatyki przemysłowej buduje się w oparciu o sterowniki
PLC, które też łączy się w sieci.
Powszechnie stosuje się sterowniki programowalne PLC wykonane w postaci modułowej, która pozwala na modernizację i rozszerzenie możliwości funkcjonalnych, spotyka się również urządzenia o budowie kompaktowej.
Rys. 6. 23
Sterownik o budowie modułowe firmy Siemens http://automatykaonline.pl/tag/sterowniki-plcpodstawy/
Zasadnicze bloki funkcjonalne sterownika PLC to:
– układ zasilania napięciowego (zasilacz, zazwyczaj napięcia stałego +24V),
– moduł wejściowy,
– jednostka centralna z mikroprocesorem (CPU),
– blok pamięci,
– moduł wyjściowy.
11
Rys. 6. 24
Schemat blokowy sterownika PLC Schmidt D., Baumann A., Kaufmann H., Paetzold H., Zippel B.: Mechatronika REA Warszawa 2002 , s. 168
Blok pamięci zawiera następujące obszary połączone wewnętrzną magistralą sterownika:
– pamięć danych typu RAM lub EPROM, przechowuje dane i instrukcje programu użytkownika, może być rozszerzana za pomocą dodatkowych kart lub modułów,
– pamięć robocza – szybka pamięć typu RAM, w trakcie przetwarzania programu przez
użytkownika kopiowane są do niej dane,
– pamięć systemowa zawiera zmienne, na których wykonywane są operacje programu.
Moduł wejściowe to układy elektroniczne zamieniające sygnały pochodzące z urządzeń zewnętrznych takich jak czujniki, na sygnały logiczne akceptowane przez sterownik, są to: dzielniki napięcia, filtry RC tłumiące zakłócenia, diody chroniące, układy prostownicze, transoptory izolujące obwody wejściowe i magistralę sterownika. Sterowniki
posiadają zazwyczaj moduły 8, 16, lub 32 wejść binarnych, które są multipleksowane,
czyli wybierane pojedynczo według adresów. Ich stan sygnalizowany jest diodą LED.
Wyjścia binarne mogą być wyposażone w:
– przekaźniki zapewniające całkowitą separację galwaniczną wewnętrznych układów sterownika i obwodów wejściowych,
– triaki stosowane dla zasilania odbiorników prądu przemiennego,
– tranzystory stosowane dla zasilania odbiorników napięcia stałego.
Sterowniki wyposażone są zazwyczaj w moduł składające się z 8, 16, lub 32 wyjść
binarnych.
Sterowniki przetwarzają sygnały cyfrowe, najczęściej sygnałowi logicznej 1
odpowiada stałe napięcie +24V (dopuszczalny jest zakres zmian od 16V do 36V),
natomiast logicznemu 0 odpowiada napięcie 0V.
Sygnały wyjściowe sterowników sterują również elementami i urządzeniami
analogowymi, dlatego wyposażone są w wejścia i wyjścia analogowe o zakresie zmian
napięcia zazwyczaj od 0V do 10V.
Informacje dotyczące rodzajów i poziomów sygnałów wejściowych i wyjściowych
sterownika znajdują się w jego dokumentacji technicznej.
Sterownik PLC pracuje sekwencyjnie, na początku każdego cyklu programowego
sprawdzane są stany operandów (np. wejść, wyjść) i zapamiętywane w rejestrze
12
pośrednim. Rozkazy wykonywane są kolejno jeden po drugim (operandy wiązane są ze
sobą zgodnie z zapisanymi w programie funkcjami). Po opracowaniu wszystkich
rozkazów programu końcowe wyniki operacji przesyłane są do rejestru wyjściowego i
dalej przyporządkowane do odpowiednich wyjść sterownika, które oddziałują poprzez
człony wykonawcze na obiekt sterowania. Sterownik pracuje cyklicznie co oznacza, że
proces opracowania programu jest ciągle powtarzany. Czas przetwarzania jednego
programu nazywany jest czasem cyklu i zależy od szybkości działania CPU, długości
programu i operacji, jakie są w nim zawarte.
Sterownika programuje się za pomocą programatora, zazwyczaj jest to komputer PC,
na którym zainstalowane jest oprogramowanie narzędziowe odpowiednie dla danego
typu sterownika. Oprogramowanie narzędziowe umożliwia tworzenie i edycję
programów oraz dokumentacji, komunikację ze sterownikiem, diagnostykę trybu jego
pracy, wymuszanie stanów wyjściowych, niektóre wersje oprogramowania
narzędziowego umożliwiają symulacje działania sterownika, co pozwala na testowanie
tworzonych programów.
Komunikacja sterownika z programatorem odbywa się poprzez interfejs szeregowy
RS232C.
Rozbudowane procesy przemysłowe wymagają zastosowania kilku sterowników
PLC połączonych w siec przemysłową.
Rys. 6. 25
Schemat blokowy sieci sterowników. Schmidt D., Baumann A., Kaufmann H., Paetzold H., Zippel B.: Mechatronika REA Warszawa 2002 , s. 166
Poszczególne jednostki produkcyjne są wówczas sterowane poprzez sterowniki lokalne, podrzędne (Slave), połączone przy pomocy sieci np. PROFIBUS-DP ze sterownikiem nadrzędnym (Master), który zarządza całym systemem.
Do magistrali może być podłączonych wiele innych urządzeń jak np. stacje i panele
operatorskie, inne sieci np. pozwalające na współpracę z urządzeniami pomiarowymi i
wykonawczymi.
13
Sterownik PLC może też być zintegrowany z innym układem sterowania cyfrowego.
Często integruje się tylko wybrane moduły sterownika z systemem operacyjnym układu
sterowania cyfrowego
Rys. 6. 26
Schemat blokowy układu zintegrowanego sterownika Schmidt D., Baumann A., Kaufmann H., Paetzold H.,
Zippel B.: Mechatronika REA Warszawa 2002 , s. 167
Sieci przemysłowe integrują wszystkie urządzenia, potrzebne do sterowaniu procesami
przemysłowymi. Każde urządzenie jest węzłem w sieci. W celu rozróżnienia wielu
urządzeń nadaje się im identyfikatory. Identyfikatorem takim jest numer urządzenia.
Jest ich w zależności od typu sieci od 32, dla sieci opartych na RS485, do ponad czterech
miliardów dla sieci ethernetowej.
Obecnie rozpowszechnione są sieci przemysłowe typu Profibus i Profinet.
W komunikacji przemysłowej z wykorzystaniem sieci typu Profibus można wyróżnić
trzy poziomy:
– poziom obiektu AS-I gdzie sygnały czujników i elementów wykonawczych są
przesyłane poprzez sieć sygnałowa, przesyłania danych i zasilania odbywa się
tym samym kablem.
– poziom polowy to rozproszone stacje takie jak moduły wejścia/wyjścia, przetworniki, napędy, zawory i panele operatorskie komunikujące sie z systemem automatyki poprzez system komunikacji PROFIBUS,
– poziom sterowania ze sterownikami PLC i IPC komunikującymi się sie z innymi
systemami IT i siecią biurowa poprzez Ethernet, TCP/IP, Intranet.
14
Rys. 6. 27
Komunikacja przemysłowa http://we.pb.edu.pl/~kaie/kaie-md/Sterowniki/SiRw7AE.pdf
Komunikacja PROFIBUS oparta jest na międzynarodowym standardzie IEC 61158
oraz IEC 61784.
W sieciach przemysłowych typu Profibus transmisja danych ze sterownika PLC może odbywać się poprzez różne media i sposoby.
Najbardziej popularna jest technologia transmisyjna RS485, wykorzystująca ekranowaną parę przewodów. Wszystkie stacje w sieci muszą pracować z ustawioną jedną
prędkością od 9.6 Kbit/s do 12 Mbit/s . W segmencie można pracować do 32 stacji (typu
master lub slave).
Technologia RS485-IS została określona dla medium 4-przewodowego w strefach
zagrożonych wybuchem EExi.
W technologii MBP, którą należy rozumieć jako "Manchester Coding (M)" –
kodowanie Menchester, "Bus Powered", (BP) – zasilanie przez sieć, jako medium
transmisyjne wykorzystuje się ekranowany kabel dwużyłowy. Technologia ta występuje
w automatyce procesowej, gdzie wymagane jest zasilanie po sieci oraz dla stacji iskrobezpiecznych w branży chemicznej i petrochemicznej.
15
Rys. 6. 28
http://we.pb.edu.pl/~kaie/kaie-md/Sterowniki/SiRw7AE.pdf
Transmisja poprzez światłowód wykorzystywana jest przy dużych odległościach
pomiędzy stacjami oraz w przypadku występowania dużych zakłóceń elektromagnetycznych. Najczęściej sieć optyczna zbudowana jest w oparciu o konwerter sygnału
elektrycznego na optyczny, który podłączony jest do urządzenia sieciowego oraz do
światłowodu, co pozwala na zastosowanie transmisji poprzez RS485oraz światłowód w
jednej instalacji, zależnie od potrzeb.
Ze względu na funkcję w sieciach PROFIBUS wyróżnia się trzy typy stacji (urządzeń): DP Master klasy 1 (DPM1), DP Master klasy 2 (DPM2) i Slave.
DP Master klasy 1 (DPM1) jest to jednostka centralna, która cykliczniewymienia informacje ze stacjami rozproszonymi (Slave), typowo stację DPM1 stanowi sterownik
programowalny(PLC) lub komputer PC.DPM1 posiada aktywny dostęp do sieci, który
umożliwia odczyt danych wejściowych(input) stacji polowych oraz zapis wartości wyjściowych (outputs).
DP Master klasy 2 (DPM2) to stacje inżynierskie i systemy konfiguracyjne, które nie
muszą być podpięte ciągle do sieci systemowej. Stacje te wykorzystuje się podczas uruchamiania, do obsługi i diagnostyki skonfigurowanych stacji, odczytu wartości wejściowych i parametrów oraz statusu urządzenia.
Stacje Slave to urządzenie peryferyjne, takie jak moduły wejścia/wyjścia, napędy,
panele, zawory, przetworniki, które przekazują informacje o procesie i do procesu. Stacje Slave odpowiadają na bezpośrednie zapytania, są zatem stacjami o pasywnym dostępie do sieci (stacje pasywne).
PROFINET to rozwiązanie dla sieciowych aplikacji przemysłowych, party na bazie
sieci Industrial Ethernet. W sieci typu PROFINET rozróżnia się następujące urządzenia
IO-Controller (Master w sieci PORFIBUS), który zarządza wymiana danych ze stacjami polowymi i umożliwia dostęp do sygnałów peryferii poprzez obraz procesu.
16
IO-Device (Slave w sieci PORFIBUS) to stacja polowa przyporządkowana do IOController.
IO-Supervisor (PG. Master klasy 2) to stacje diagnostyczne PLC, które również
umożliwiają odczytu wartości wejściowych i parametrów oraz statusu urządzenia.
Rys. 6. 29
Sieć typu PROFINET http://we.pb.edu.pl/~kaie/kaie-md/Sterowniki/SiRw7AE.pdf
Bibliografia:
1. Kordowicz-Sot A. (1999). Automatyka i robotyka. Robotyka. Warszawa: WSiP.
2. Kordowicz-Sot A. (1999). Automatyka i robotyka. Układy regulacji automatycznej. Warszawa: WSiP.
3. Kostro J. (1998). Elementy, urządzenia i układy automatyki. Warszawa: WSiP.
4. Płoszajski G. (1995). Automatyka., Warszawa: WSiP.
5. Schmidt D., Baumann A., Kaufmann H., Paetzold H., Zippel B. (2002). Mechatronika Warszawa: REA.
6. Siemieniako F., Gawrysiak M. (1996). Automatyka i robotyka. Warszawa: WSiP.
7. Praca zbiorowa (1998). Technika sterowników z programowalną pamięcią. Warszawa: WSiP.
8. Katalogi urządzeń sieci automatyki przemysłowej.
9. Jabłoński W., Płoszajski G. (2002). Elektrotechnika z automatyką. Warszawa
WSiP.
17