Zaawansowane Układy Automatyki PLC
Prowadzący
dr inż. Jakub Możaryn, Gmach Mechatroniki, p. 346, e-mail: j.mozaryn@mchtr.pw.edu.pl,
dr inż. Piotr Wasiewicz, Gmach Mechatroniki, p. 312, e-mail: p.wasiewicz@mchtr.pw.edu.pl
e-mail: p.wasiewicz@mchtr.pw.edu.pl
Strona www przedmiotu: http://jakubmozaryn.esy.es Informacje o przedmiocie
Wykład - 15 godzin
Projektowanie - 15 godzin
Warunki zaliczenia przedmiotu
Realizacja projektu zespołowego - 40% oceny końcowej Raport na zadany temat - 30% oceny końcowej
Zespołowa prezentacja projektu - 30% oceny końcowej Liczba punktów ECTS – 3
Program przedmiotu - cel
Umiejętność projektowania zaawansowanych układów sterowania procesami ciągłymi i dyskretnymi z wykorzystaniem przemysłowych procesami ciągłymi i dyskretnymi z wykorzystaniem przemysłowych sterowników PLC.
Program przedmiotu - wykłady
1. Definicja sterownika PLC. Obszary zastosowań i rodzaje sterowników PLC: modułowy, kompaktowy, mikro-PLC, wirtualny PLC (SoftControl, SoftPLC), komputer przemysłowy iPC. Cykl pracy, sposoby egzekucji programów sterujących, mechanizmy czasu rzeczywistego systemu operacyjnego PLC. Programowanie strukturalne z wykorzystaniem różnorodnych jednostek programowych: COB, PB, FB, SB, XOB.
2. Języki programowania sterowników PLC, zgodne z normą IEC 61131-3: - 2. Języki programowania sterowników PLC, zgodne z normą IEC 61131-3: - Instruction List (IL) - Structured Test (ST) - Ladder Diagram (LD) - Function Block Diagram (FBD) – Continuous Flow Chart (CFC) - Sequential Function Chart (SFC). Zastosowanie notacji UML w projektowaniu aplikacji PLC. Analiza procesu. Maszyna stanów.
3. Regulatory PID i ich implementacja w sterownikach PLC. Dobór nastaw regulatorów PID. Implementacja samostrojenia regulatorów PID w sterownikach PLC.
Program przedmiotu - wykłady
4. Struktury przemysłowych układów regulacji procesów ciągłych (jednoobwodowa/stałowartościowa, kaskadowa, stosunku, kaskadowa stosunku, układy zamknięto-otwarte, układ z wybierakami MAX, MIN) i ich realizacja z wykorzystaniem sterowników PLC. Analiza przykładowych procesów.
5. Struktury przemysłowych układów sterowania procesów dyskretnych (układy sekwencyjne, układy kombinacyjne, graf procesu) i ich realizacja z (układy sekwencyjne, układy kombinacyjne, graf procesu) i ich realizacja z wykorzystaniem sterowników PLC. Analiza przykładowych procesów.
6. Przemysłowe układy regulacji w oparciu o opis obiektu w przestrzeni stanu. Układy regulacji predykcyjnej. Układy regulacji optymalnej.
Zastosowanie logiki rozmytej w układach regulacji. Analiza procesu.
7. Zaawansowana diagnostyka sterowników PLC. Testowanie aplikacji PLC.
Testy akceptacji aplikacji (FAT), testy odbioru końcowego (SAT).
Utrzymanie aplikacji.
Program przedmiotu - projekty
1. Projekt zaawansowanego układu regulacji w układzie 3-ch zbiorników, z wykorzystaniem symulacji Matlab/Simulink i oprogramowania Automation Studio.
2. Projekt układu regulacji sekwencyjnej w centrali klimatyzacyjnej HVAC – zastosowanie sterowników S7-1200 lub S7-1500 zastosowanie sterowników S7-1200 lub S7-1500 i oprogramowania TIA Portal.
3. Projekt układu sterowania sekwencyjnego linii produkcyjnej – zastosowanie oprogramownia CoDeSys
Program przedmiotu - raporty
1. Programowanie w środowisku 1. TwinCAT
2. TIA Portal 3. CoDeSys
4. B&R Automation Studio
Literatura
1. Kwaśniewski, J.: Programowalny sterownik SIMATIC S7-300 w praktyce inżynierskiej, Wydawnictwo BTC, Legionowo, 2009.
2. Kwaśniewski, J.: Język tekstu strukturalnego w sterownikach SIMATIC S7-1200 i S7-1500, Wydawnictwo BTC, Legionowo, 2014.
3. Gilewski, T.: Podstawy programowania sterowników S7-1200 w języku SCL, Wydawnictwo BTC, Legionowo, 2015.
4. Gilewski, T.: Podstawy programowania sterowników SIMATIC S7-1200 w języku 4. Gilewski, T.: Podstawy programowania sterowników SIMATIC S7-1200 w języku
LAD, Wydawnictwo BTC, Legionowo, 2017.
5. Flaga, S.: Programowanie sterowników PLC w języku drabinkowym, Wydawnictwo BTC, Legionowo, 2010.
6. Zieliński, C.: Podstawy projektowania układów cyfrowych, PWN, 2012.
7. Fowler, M.: UML w kropelce wersja 2.0, Oficyna Wydawnicza LTP, 2005.
8. Yu, C.-C.: Autotuning of PID Controllers. Springer, London, 2006.
9. Hanssen, D.H.: Programmable Logic Controllers: A Practical Approach to IEC 61131-3 using CoDeSys, Wiley and Sons, 2015.
10. Berger, H.: Automating with SIMATIC S7-1500: Configuring, Programming and Testing with STEP 7 Professional, Wiley and Sons, 2014.
Dr inż. Jakub Możaryn, dr inż. Piotr Wasiewicz
Zaawansowane Układy Automatyki PLC Zaawansowane Układy Automatyki PLC
Wykład 1 – Sterowniki PLC: definicja, klasyfikacja, zastosowania, zasada działania
Definicja sterownika PLC
PLC (Programmable Logic Controller) jest urządzeniem cyfrowym, działającym cyklicznie, wyposażonym w:
CPU (procesor, pamięć RAM/ROM, system operacyjny czasu rzeczywistego - RT)
Interfejsy: procesowy, sieciowy, operatorski
Narzędzia programowe do tworzenia algorytmów sterujących,
Narzędzia programowe do tworzenia algorytmów sterujących, dopasowane do różnych technik i metod projektowania:
układy przekaźnikowe
schematy blokowe, funkcjonalne
programowanie w assemblerze
programowanie w językach wyższego poziomu
sekwencyjne wywoływanie poszczególnych algorytmów sterowania
Historia rozwoju sterowników PLC
Rok 1969: pierwszy sterownik PLC -
MODICON 084 (MOdular DIgital CONtroller)
11
CONtroller)
opracowany przez MOrleya DIcka w 1969) firmy AEG (później Schneider) Współczesne systemy sterowania i monitorowania procesów:
DCS (Distributed Control System) (systemy DCS zawierają PLC)
PLC + SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)
Obszary zastosowań sterowników PLC
Schemat uogólnionej instalacji przemysłowej
12
Obszary zastosowań sterowników PLC
Automatyzacja procesów dyskretnych z użyciem układów logicznych, kombinacyjnych i sekwencyjnych, procesowo- lub czasowo-zależnych.
Przykłady procesów: linie montażowe, urządzenia obróbcze-CNC, pakownie, rozlewnie, roboty i manipulatory...
Automatyzacja procesów ciągłych za pomocą układów regulacji
13
Automatyzacja procesów ciągłych za pomocą układów regulacji stabilizującej, kaskadowej, stosunku, z korekcją od zakłóceń…
Przykłady procesów: instalacje chemiczne, obróbka cieplna, mieszanie, składowanie materiałów...
W większości przypadków występują procesy mieszane, opisane za pomocą zarówno sygnałów dyskretnych jak i analogowych.
Obszary zastosowań sterowników PLC
Automatyzacja procesów transportowych za pomocą układów
Automatyzacja procesów wsadowych za pomocą układów regulacji i sterowania.
Przykłady procesów: oczyszczalnie ścieków, warniki...
14
Automatyzacja procesów transportowych za pomocą układów regulacji i sterowania oraz systemów zarządzania.
Przykłady procesów: bębnowa suszarnia cukru, tankowiec, poczta pneumatyczna...
Obszary zastosowań sterowników PLC Automatyzacja infrastruktury przedsiębiorstw:
klimatyzacja – HVAC (Heating Ventilation Air Conditioning)
rozdzielnictwo energii elektrycznej i gazu
dystrybucja wody – c.w.u./z.w.u.
centralne ogrzewanie – c.o.
sterowanie oświetleniem sterowanie windami
15
sterowanie windami
sterowanie magazynami
sterowanie parkingami
systemy alarmowe
systemy przeciwpożarowe
zarządzanie dostępem
kontrola obecności
zarządzanie konserwacją
wizualizacja i monitorowanie układów
Klasyfikacja sterowników PLC
Ze względu na strukturę (konfigurację) sprzętową i programową, sterowniki PLC dzieli się na:
modułowe: duże (wysokość kasety DCS), małe (połowa wysokości kasety DCS),
kompaktowe (micro-PLC, nano-PLC: LOGO-Siemens),
wirtualny PLC w komputerze PC (technika SoftControl, SoftLogic),
16
SoftLogic),
komputery przemysłowe iPC,
PLC zintegrowane z innymi systemami sterowania (np. CNC, manipulatory),
Sterowniki PLC w systemach wspomagania projektowania CAD (np. FluidSIM-Festo).
Klasyfikacja sterowników PLC Sterowniki PLC modułowe (duże, małe)
17
mały PLC (S7- 300) duży PLC (S7- 400)
Klasyfikacja sterowników PLC
Sterowniki PLC kompaktowe (micro-PLC, nano-PLC: Easy)
18
nano- PLC (EASY-Moeller)
Klasyfikacja sterowników PLC
Sterowniki PLC kompaktowe (micro-PLC, nano-PLC: LOGO- Siemens)
LOGOComfort — skrót.lnk
19
Klasyfikacja sterowników PLC
Sterowniki PLC wirtualne (technika SoftControl, SoftLogic, SoftPLC)
Graphical User Interface
20
Klasyfikacja sterowników PLC
Sterowniki PLC w komputerach przemysłowych iPC (Industrial PC).
IPC stanowi zintegrowany zespół urządzeń:
pulpit operatorski, wyposażony w wyświetlacz LCD oraz zespół pokrytych folią klawiatur (w różnych rozmiarach i o różnej liczbie klawiszy), zastępowanych coraz częściej ekranem dotykowym
(Touch Screen)
21
komputer PC (SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition, MS Office, CAD/CAM…)
sterownik PLC
Klasyfikacja sterowników PLC Zalety IPC:
odporność na trudne warunki przemysłowe (zapylenie, agresywna atmosfera, podwyższona temperatura, zaolejenie powietrza)
dostęp do standardowych programów: MS Windows, MS Office (Access, Excel: dostęp porzez DDE), systemy CAD-CAM (np.
AutoCAD, SolidEdge, MS Visual Studio, FluidDRAW, FluidSIM, COSIMIR, TwinCAT-Beckhoff), systemy SCADA
22
COSIMIR, TwinCAT-Beckhoff), systemy SCADA
dostęp do Internetu Alternatywa IPC:
struktura sieciowa (współpraca sterowników PLC ze stacjami operatorskimi - gorsze
właściwości RT)
Klasyfikacja sterowników PLC
PLC zintegrowane z innymi systemami sterowania (np. CNC, manipulatory
23
S oftMotion
Okna systemu sterowania CNC i systemu wspomagania projektowania CAM SoftMotion.
Klasyfikacja sterowników PLC
Sterowniki PLC w systemie wspomagania projektowania układów e-p z wykorzystaniem FluidSIM-P
Zadanie:
fl_sim_p — skrót.lnk
24 Po uruchomieniu (S1=1) tłoczysko
wysuwa się 3 razy, włącza się silnik na 3 sek.
Zasada działania sterowników PLC
Cykl pracy sterownika PLC:
Przetwarzanie na bazie
„fotografii" stanu procesu (większość PLC)
w tym przypadku, bezpośredni w tym przypadku, bezpośredni dostęp do we/wy procesowych jest możliwy z użyciem
specjalnych instrukcji programowych,
np.: instrukcje ’Immediate’ w PLC Simatic, czy też instrukcja
’DO IO’ w PLC GE Fanuc
Zasada działania sterowników PLC
Cykl pracy sterownika PLC:
Przetwarzanie bez „fotografii"
stanu procesu (PLC: SAIA)
Schemat funkcjonalny, zasoby programowe sterowników PLC Saia
Zasoby programowe sterowników Saia
Typ Opis Zakres Uwagi
I Input wspólny
adres 0...8191 na System
O Output 0...8191
F Flag 0...8191 Volatile/Non volatile
T Timer wspólny
adres 0...450 Volatile
C Counter 0...1599 Non Volatile
R Register 0...4095 Non Volatile
K K constant 0...16383
COB Cyclic Organisation Block 0..15 na CPU
COB Cyclic Organisation Block 0..15 na CPU
XOB Exception Organisation Block 0...31
PB Program Block 0...299
FB Function Block 0...999
SB Sequential Block 0...31
IST Initial Step 0...1999
ST Step 0...1999
TR Transition 0...1999
X Text wspólny
adres 0...7999 4000..7999 w pamięci extended
DB Data Block 0...7999
- Semaphore 0...99 na System
Wskaźniki systemowe P, N, Z, E, H, L
COB - Cyclic Organization Blocks - programy główne (0-15) PB - Program Blocks - podprogramy (0-299)
FB - Function Blocks - bloki funkcyjne (0-999)
XOB - Exception Organization Blocks - bloki wyjątków (0-25) SB - Sequential Block - bloki sekwencyjne (0-31)
ST - Step - krok (0-1999)
TR - Transition - warunek przejścia (0-1999)
Podstawowe bloki programowe
XOB 25
EXOB XOB 20
EXOB
Podstawowe bloki programowe, XOB XOB - Exception Organization Blocks
Podstawowe bloki programowe, PB PB, Program Block, w języku FBD
