PLC - Samenvatting - Beknopt PDF

Preview

Summary

PLC Samenvatting...

Description

Samenvatting PLC De PLC Wat is een PLC? - Een Programmable Logic Controller, is een elektronisch apparaat met een microprocessor dat op basis van de informatie op zijn diverse ingangen, zijn uitgangen aanstuurt. Industriële machines worden meestal aangestuurd met PLC’s en zijn dus zeer belangrijk in de automatisering. De eerste PLC’s bestonden uit AND, OR, NOT en Timer IC’s. Doel en nut van een PLC? - De PLC werd ontwikkeld ter vervanging van besturingssystemen opgebouwd met relais. Deze hebben namelijk volgende nadelen:  Hoge ontwikkelings- en montagekosten door de vele werkuren  Weinig of geen flexibiliteit, elke wijziging resulteert in montage en bedradingswijzigingen  Veel slijtage door bewegende delen (hoge onderhoudskosten) Men zocht naar een oplossing met volgend eisenpakket:  Compact systeem  Gemakkelijk aanpasbaar  Het toestel moet eenvoudig te programmeren zijn  Eenvoudig in onderhoud (snel vervangen van onderdelen)  Een modulair toestel dat algemeen inzetbaar is  Vereenvoudigde diagnose bij storingen m.b.v. controlelampjes Een PLC kan:  Sequentiële of combinatorische aan/uit besturing  Analoge waarden lezen, verwerken, uitsturen  Als PID regelaar functioneren  Communiceren met andere toestellen  Displays aansturen voor bediening  Groot aantal I/O mogelijkheden  Signalen van encoders en allerlei sensoren verwerken  Gegevens opslaan  Wiskundige berekeningen maken  Netwerkverbindingen opbouwen  Programmeerbaar in meerdere en hogere programmeertalen Soorten PLC’s  Traditionele PLC Deze PLC’s hebben een eigen processor en eigen geheugen en hebben enkel een voedingsspanning nodig om te functioneren. De hardware is speciaal ontworpen door de PLC-fabrikant en de prijs van de PLC is in verhouding tot PC’s vrij duur (door beperkte markt segment). Meestal zijn de PLC’s zo opgebouwd dat uitbreiding via bijkomende modules mogelijk is. De CPU module heeft zelf geen IO en er moeten dus IO modules gekoppeld worden. Enzo Standaert 2014-2015

 Slot PLC Deze PLC’s hebben een eigen processor en eigen geheugen. De PLC is opgebouwd als insteekkaart voor een PCI-slot van een PC. Op deze kaart kunnen de IO modules niet voorzien worden en moet er voor de periferie gebruik gemaakt worden van externe IO modules die via een veldbussysteem verbonden zijn met de PLC. Deze PLC is kan makkelijk gemonteerd en gemonitord worden via de PC waar hij insteekt.  Soft PLC Deze PLC draait als software op een PC of een embedded PC met bv. WinCE. De communicatie gebeurt via een interfacekaart en een driversoftware (dus niet met een standaard industrieel bussysteem), waardoor deze PLC geen processor nodig heeft. Hij heeft enkel nog communicatiemogelijkheid nodig met de PC en connectiviteit met de I/O.  Nadeel: het systeem is maar zo stabiel als het Operating systeem dat je draait. Een update, virus of slechte driver kan je hele systeem doen crashen.  Voordeel: goedkopere hardware. Qua snelheid lijken deze PLC’s de meeste hardware PLC’s te kunnen kloppen.  OPLC Een ‘Operating Panel PCL’ is een PLC met ingebouwde HMI (Human Machine Interface), bestaande uit een toetsenbord met display of een touchpanel. Dit zijn kleine PLC’s die meestal gebruikt worden op kleine stand-alone machines (vb. CNC gestuurde machines). PLC + HMI = OPLC  Visualisatie: WinCC en HMI panelen - WinCC (Windows Control Center) is een PC gebaseerd visualisatie- en controlesysteem (software) dat vaak gekoppeld wordt aan grotere PLC-gestuurde processen. De PC wisselt via software en een communicatiekanaal gegevens uit met de PLC. Op die manier is het mogelijk bedienings- en visualisatiefuncties te realiseren op een computerscherm. - Een HMI (Human Machine Interface) paneel zal eerder gebruikt worden bij eenvoudige processen. Soorten ingangen - Sinking (NPN) = stroom trekken uit de ingang - Sourcing (PNP) = stroom sturen naar de ingang  Digitale ingangen - Deze ingangen kunnen enkel detecteren of iets aan, of uit is. Elke digitale ingang komt dus overeen met 1 bit in het PLC-systeem. - Elke digitale ingang krijgt een naam (adres). Bij vele systemen bestaat de naam uit een BYTE adres en een BIT adres. Zo zal bijvoorbeeld bij een S7-PLC I0.4 verwijzen naar ingang met BYTE adres 0 en BIT adres 4. Bij bijvoorbeeld een Logo! PLC zal men in- en uitgangen gewoon doornummeren vanaf I1 over I2, ... In. De uitgangen worden daar genummerd als Q1, Q2, ..., Qn. - Fysisch is er voor elke digitale ingang een aansluitklem op de ingangsmodule waaraan het signaal aangeboden wordt. Is de spanning op de klem hoog, dan lezen we een ‘1’ in, is de spanning laag dan lezen we een ‘0’ of ‘laag niveau’ in.

Enzo Standaert 2014-2015

- In het PLC-programma kan desgewenst de ingang invers ingelezen worden. Een 1 wordt dan verwerkt als een 0 en omgekeerd. - Bij bijna alle systemen kunnen, naar gelang het aantal benodigde ingangen één of meerdere ingangsmodules bijgeplaatst worden. Bij de aankoop van de modules wordt je keuze bepaald door:  Het aantal ingangen die je nodig hebt  Het spanningsniveau dat gevraagd wordt voor een ‘1’ niveau Je kiest ingangsmodule(s) dus volgens de soort inputs die je gaat gebruiken.  Analoge ingangen - Een signaal afkomstig van een analoge sensor wordt via een AD-converter omgezet in een binair getal van meerder bits (courant is dit: 8, 12 of 16 bits). Dit binair getal is een representatie van de analoge waarde en kan door de PLC verwerkt worden. Hoe meer bits, hoe nauwkeuriger, maar ook hoe duurder de converter. - Sommige analoge modules laten toe om rechtstreeks thermokoppels, PT-100 of PT-1000 weerstanden aan te sluiten. Wanneer de mogelijk tot rechtstreeks aansluiten ontbreekt, zal met een transmitter tussen de sensor en de analoge ingangsmodule plaatsen. Een transmitter past het signaal van de sensor aan naar 1 van de standaard signalen (0V tot 10V, 4mA tot 20mA, 0mA tot 20mA), waar de analoge ingangsmodule van de PLC wel overweg mee kan. - Er bestaan verschillende analoge sensoren om grootheden te meten (druk, temperatuur, zuurtegraad, toerental, massa, radioactiviteit, hoek, snelheid, versnelling,...). Soorten uitgangen  Digitale uitgangen - Digitale uitgangen zijn het meest gebruikt. Hiermee kan je iets aan- of uitzetten. Meestal zijn dit relais, lampen, indicatoren, pneumatische- of hydraulische ventielen. - Digitale uitgangen bestaan uit halfgeleider uitgangen (contactloze uitgangen).  Voor lager DC spanningen: transistors  Voor hogere AC spanningen: triac’s  Relaisuitgangen (voor alle spanningen maar hebben het nadeel dat ze mechanisch zijn) - Als de uitgangsmodules hun spanning betrekken van de voeding van de PLC, dan moet men erop letten dat de som van de te leveren uitgangstromen de maximale stroom van de voeding niet overschrijdt. - De min van de voeding is rechtstreeks aangesloten op de gem van de uitgangskaart (integenstelling tot de ingangen is hier ook de plus aangesloten op een gem klem op de kaart). Ook is de min rechtstreeks verbonden met alle actoren. - De plus is door middel van een transistor intern op de kaart doorgegeven naar de actor, als het programma voor die uitgang, een logische “1” gevormd heeft. Er zal dan ook een LED oplichten. Wanneer er een logische “0” gevormd wordt, zal de betreffende uitgang, de spanning uitschakelen en de LED doven. - Een uitgangskaart van het type NPN: een kaart die de min doorschakelt - Een uitgangskaart van het type PNP: een kaart die de plus doorschakelt (meest gebruikt) - Men moet erop letten dat bij het schakelen van een inductieve belasting op DC spanning, een vrijloopdiode over de belasting geplaatst wordt. Dit om te verwijden dat de piekspanning, die ontstaat bij het uitschakelen van de (relais)spoel, de uitgang van de PLC stuk maakt.

Enzo Standaert 2014-2015

 Analoge uitgangen - Analoge uitgangen laten het toe om bijvoorbeeld een regelklep in een bepaalde stand te zetten, een motor op een bepaald toerental te laten draaien, ... - Het principe van de analoge uitgang is nagenoeg gelijk aan dat van de analoge ingang. Enkel wordt de bitreeks, die de analoge waarde representeert, nu naar de uitgang gestuurd. De DA-convertor in de uitgang zet deze bitreeks om in een analoge spanning of stroom. - Doordat een analoge uitgang enkel spanning of kleine stromen kan leveren, kunnen we de actuator hiermee meestal niet rechtstreeks aansturen. We zullen praktisch altijd een vermogensturing nodig hebben als aanpassing tussen de ouputmodule en de belasting. Vaak gebruikt zijn spanningsgestuurde fase-aansnijdingen (dimmers), PWM regelaars (Pulse Width Modulation), frequentieregelaars voor asynchrone motoren en vermogenselektronica. Voedingen - De elektronica van een PLC moet worden gevoed door een voeding. In sommige (kleinere) PLC’s kan deze voeding, de processor en enkele in- en uitgangen in dezelfde behuizing ondergebracht zijn. Grotere systemen werken steeds met een aparte voeding. - De voeding levert spanning voor de stuurelektronica en spanning voor de uitgangmodules. Ook de stroom die de belastingen (bv. relais) uit de uitgangsmodules halen, moet geleverd worden door de voeding van de PLC. Dit kan dezelfde zijn als die van de PLC of een externe. - De meeste PLC-voedingen zijn kortsluitbestendig. Dit wil uiteraard wel niet zeggen dat men zorgeloos met de bekabeling kan/mag omgaan. Bij grotere stromen kan serieuze vonkvorming ontstaan. CPU-module - De CPU (Central Processing Unit) is de eigenlijke PLC. Deze bestaat uit:  De Processor: zorgt voor de werking van het programma  Het programmageheugen: meestal een niet-vluchtig geheugen of een batterij gebufferd geheugen dat zorgt voor het opslaan van het programma  De verschillende accumulator geheugens: zorgen voor de tijdelijke opslag van de tussenresultaten  PII (Process Input Image) en POI (Process Output Image): bevatten de data van de ingangen en de data van de uitgangen. De CPU verwerkt deze data  Het systeemprogramma: zorgt voor het opstarten en het controleren van de PLC. Dit programma is opgeslagen in het ROM-geheugen  De interface aanpassing: zorgt voor data-uitwisseling tussen de verschillende I/O-modules en het input/output-image geheugen Geheugens  Indeling van de geheugens - Leesgeheugen: deze geheugens kunnen enkel gelezen worden - Lees- en schrijfgeheugen: deze geheugens kunnen zowel gelezen als in geschreven worden - Remanent of niet-vluchtig: de inhoud van het geheugen blijft behouden bij spanningsuitval - Niet-remanent of vluchtig: de inhoud van het geheugen blijft niet behouden bij spanningsuitval

Enzo Standaert 2014-2015

 De types geheugen - RAM: Random Access Memory: lees- en schrijfgeheugen met vluchtig karakter. Meestal wordt een buffer batterij voorzien om de gegevens niet te verliezen bij spanningsstoring - ROM: Read Only Memory: leesgeheugen (kan niet geprogrammeerd worden) - PROM: Programmable Read Only Memory: Dit is een ROM geheugen dat door de gebruiker 1 keer kan geprogrammeerd worden mbv een PROM-programmeertoestel. Na programmatie is het enkel een leesgeheugen. - EPROM: Erasable Programmable Read Only Memory: Een PROM die onder invloed van UV-licht kan gewist worden waarna programmatie weer mogelijk is. Dit proces kan met 10 tot 100 keer herhalen - EPROM-chip - EEPROM: Electrically Erasable Programmable Read Only Memory: EPROM die mbv spanningspulsen en geschreven en ook weer gewist worden - SD of MC: Memory Card. Gegevens kunnen gelezen en geschreven worden  Geheugens gebruikt in de CPU - Work Memory: geheugengebied voor de verwerking van het programma (RAM) - Load memory: geheugengebied voor de opslag van het programma - System memory: geheugengebied met het systeem programma (ROM)

Programmacyclus De werking van de PLC is gebaseerd op het continue uitvoeren van een programma. Deze scancyclus is opgedeeld in 3 belangrijke stappen:  Stap 1: kopiëren van de ingangen naar de PII  Stap 2: uitvoeren van het programma, instructie na instructie  Stap 3: kopiëren van de waarden van het outputregister PIQ naar de uitgang Opdat de PLC bij een opstart zou initialiseren (in een vaste bepaalde begintoestand komt) wordt na een opstart 1 maal een procedure doorlopen.

Enzo Standaert 2014-2015

Bij het inschakelen van de netspanning of bij een overgang van stop naar run, wordt een nieuwstart uitgevoerd. Bij deze nieuwstart wordt:    

De uitgangsbeeldtafel (PIQ) volledig op nul geplaatst. Dit wil zeggen dat alle uitgangen spanningsloos worden. Alle niet-remanente tijden, tellers en merkers (interne bits) op 0 gezet. Remanente tijden, tellers en merkers blijven uiteraard hun toestand behouden. De cyclustijdscontrole wordt gestart. De ingangsbeeldtafel (PII) wordt volledig hernieuwd. Alle ingangstoestanden van de ingangskaarten worden afgevraagd en in de PII geplaatst. De PII is een soort register waar iedere ingang een plaatsje van 1 bit krijgt, die 0 of 1 kan zijn (afhankelijk van de toestand van de ingang). Dit wordt gedaan om de cyclustijd te beperken.

Enzo Standaert 2014-2015









Het gebruikersprogramma wordt instructie per instructie afgewerkt met de signaaltoestanden zoals ze in de PII zijn opgeslagen. Wanneer gedurende de verwerking van het programma een ingangssignaal zou veranderen van toestand, dan wordt daar verder geen rekening mee gehouden tijdens het verdere verloop van het programma. Deze nieuwe toestand zal pas de volgende cyclus door de PII ingelezen worden. Tijdens de verwerking van het programma wordt er rekening gehouden met de status van de interne merkers en de waarden van tellers en timers. De toestandsveranderingen van de uitgangen die door het programma gemaakt zijn, worden niet rechtstreeks naar de uitgangskaarten geschreven. Identiek zoals bij de ingangen is ook een uitgangsbeeldtafel aanwezig en daar worden de resultaten in weggeschreven. Als het gebruikersprogramma volledig is afgewerkt worden de resultaten die in de uitgangsbeeldtafel geschreven zijn gekopieerd naar de uitgangskaarten. Nu pas zullen de uitgangen van toestand kunnen wijzigen. De cyclustijdcontrole wordt gestopt. Indien deze in orde is, wordt de volgende cyclus doorlopen. Dit betekent dat de cyclustijdcontrole opnieuw gestart wordt, een nieuwe ingangsbeeldtafel wordt aangemaakt, het programma wordt verwerkt, de uitgangsbeeldtafel wordt naar de uitgangen gekopieerd en de cyclustijdcontrole gestopt wordt. - Dit opvolgen van cyclussen noemt men de cyclische verwerking van een PLC. - De tijd om een cyclus te doorlopen is een cyclustijd. - Een doorloop van cycluscontrole tot cycluscontrole mag niet langer duren dan 500ms. (deze cyclustijdcontrole is afhankelijk van het type PLC en is soms instelbaar). Wordt ten gevolge van een programmafout of storing de cyclustijd groter dan 500ms, dan is de cyclustijdcontrole niet in orde en spreekt het systeem een interne controleschakeling aan die de PLC in de stop toestand schakelt. Alle uitgangen worden op dit moment spanningsloos gemaakt. Deze controle op de cyclustijd wordt ook cyclustrigger of watch-dog genoemd.

Responstijd De totale responstijd van de PLC is een feit waar we rekening houden bij de keuze van de PLC. In vele toepassing is de snelheid niet van doorslaggevend beland, maar in snelle processen kan de traagheid van de PLC voor fouten zorgen. De totale reactietijd van een PLC systeem is de som van de reactietijd van de invoer, de uitvoeringstijd van het programma en de reactietijd van de uitvoer.

Enzo Standaert 2014-2015

Interruptgestuurde ingangsmodule Deze ingangsmodules zullen het lopend programma onderbreken als er iets wijzigt aan de ingang. In het voorbeeld hiernaast wordt het hoofdprogramma (links) onderbroken door de ingangsmodule. De ingangsmodule vraagt via een aparte klem op de CPU een interrupt aan. De CPU onderbreekt het hoofdprogramma en doorloopt de ISR (Interrupt service routine). Deze schenkt aandacht aan de ingang en haalt de nieuw waarde(n) op. Vervolgens wordt verder gegaan met het hoofdprogramma dat dan gebruik maakt van de nieuwe waarden van de ingang.

Het programma Adressering Er wordt onderscheid gemaakt tussen:  Ingangsinformatie (geheugenbereik wordt aangesproken met ‘I’)  Uitgangsinformatie (geheugenbereik wordt aangesproken met ‘Q’)  Geheugeninformatie (geheugenbereik wordt aangesproken met ‘M’): dit merkergeheugen dient voor de opslag van tussentijdse resultaten in het programma. Elk van deze bereiken zijn opnieuw ingedeeld en kan men per bit of per byte aanspreken. Het byte adres begint vanaf 0 en gaat zo verder, in elke byte kan elke bit apart aangesproken worden. Bij de adressering wordt de eerste bit via adres ‘0’ en de achtste bit via adres ‘7’ aangesproken. Welk adres je juist moet aanspreken, is afhankelijk van de PLC configuratie.

Als je een bit aanspreekt kan deze dus maar twee waarden aannemen: 0 en 1. Meestal komt status 0 van een ingang overeen met 0V en status 1 overeen met 24V aan de ingang of uitgang. Het is mogelijk om per byte, word of zelfs dubbel te adresseren. - Voorbeeld 1: IB124 = I124.0 tot en met I124.7 aanspreken - Voorbeeld 2: IW124 = I124.0 tot en met I124.7 en 125.0 tot en met I125.7 aanspreken

Enzo Standaert 2014-2015

Symbolische adressering Omdat de adressering via byte of bit adres niet veel zegt over de aangesloten sensor of actuator, gebruikt men een symbolische adressering. De bedoeling van de symbolische naamgeving is duidelijk maken welke functie het signaal heeft. Zo wordt het programma beter leesbaar. Programmeertalen  LAD = ladder Het ladderdiagram is gebaseerd op de elektrische schema’s. Bij de omschakeling van de relaistechniek naar PLC, kan men bijna rechtstreeks de elektrische schema’s als PLC programma gebruiken. Voordelen: - Laagdrempelige programmatie eenvoudig leesbaar - Elektrische schema’s kunnen bijna direct als PLC-programma gebruikt worden - De programmering is onmiddellijk herkenbaar bij andere types PLC’s Nadelen: - Door de grafische weergaven neemt dit nogal veel ruimte in beslag op het scherm of op papier - Voor complexere bewerkingen moet men terugvallen op andere programmeertalen  FBD = Function Block Diagram Het functionblockdiagram is een programmeertaal gebaseerd op de logische bouwstenen van de elektronica. Voordelen: - Gestructureerde en logische opbouw - Met een basiskennis van de logische bouwstenen kan men al programmeren Nadelen: - Door de grafische weergaven neemt dit nogal veel ruimte in beslag op het scherm of op papier - Voor complexere bewerkingen moet men terugvallen op andere programmeertalen  SFC = Sequential Function Chart De SFC programmeertaal is speciaal ontworpen voor sequentiële programmering. Daar waar er een bepaalde volgorde is in het aansturen van actuatoren, is de SFC-programmeertaal geschikt. Voordelen: - De oplossingsmethode ‘grafcet’ kan rechtstreeks geprogrammeerd worden. Er is geen omvorming nodig naar LAD, FBD of IL - Dit is een zeer grafische en overzichtelijke methode om een sequentie te programmeren - De programmering is vrij eenvoudig Nadelen: - Niet alle PLC’s kunnen deze programmeertaal rechtstreeks verwerken

Enzo Standaert 2014-2015

 IL = Instruction List / STL = Structured Language De programmering via de instructies van de instructielijst doet denken aan het programmeren van de CPU in assembler. Voordelen: - Alles wat geprogrammeerd kan worden met een PLC, kan via deze taal geprogrammeerd worden - Elke programmalijn is zeer kort, waardoor deze taal geschikt is om een PLC te programmeren via een handprogrammeer-toestel met een klein display. Sommige PLC’s zijn uitgerust met een klein display van enkele karakters breed. Dit is al voldoende om een PLC programma in IL weer te geven Nadelen: - Ondanks de vrij eenvoudige instructieset is dit toch een moeilijke programmeertaal omdat sommige functies uit een heleboel instructies bestaan - De structuur van het programma, het overzicht gaat zeer snel verloren  ST = Structured Text Iedereen die een hogere programmeertaal zoals Basic, C,... gebruikt heeft kan deze programmeertaal vlot gebruiken. Het grote verschil tussen een PLC programma in Structured Text en een programma in een hogere programmeertaal is dat bij de PLC het programma elke cyclus opnieuw gestart wordt en bij andere toepassingen het programma pas het einde bereikt a...