5. SPRZ
T STEROWNIKÓW PLC
Ze względu na architekturę sterowniki PLC dzieli się na:
" sterowniki kompaktowe,
" sterowniki modułowe.
Sterowniki kompaktowe należą do klasy małych sterowników PLC o sztywnej architekturze,
i ze względu na wymiary tworzą rodziny nazywane przez firmy Micro (np. GE Fanuc) lub
Nano (np. Schneider-Modicon). W jednej obudowie znajduje się tu zasilacz, CPU oraz
niewielka liczba wejść i wyjść cyfrowych, rzadziej analogowych. Czasem występuje także
wejście szybkiego licznika. Przeznaczone są głównie do sterowania niewielkimi maszynami
lub aparatami.
W sterownikach modułowych poszczególne układy występują jako osobne moduły,
montowane bądz
na sztywnej podstawie (ang. baseplate, backplane) w gniazdach (ang. slot),
bądz
bezpośrednio na standardowej szynie montażowej DIN, i łączone są ze sobą łączami
zatrzaskowymi. Możliwe jest także tworzenie systemów rozproszonych, w których moduły
oddalone są od siebie o wiele metrów, a komunikacja między nimi a CPU odbywa się przy
użyciu odpowiedniej magistrali przemysłowej, np. system modułów Field Control łączonych
za pomocą sieci Genius firmy GE Fanuc lub sterowniki z rodziny Momentum firmy
Schneider-Modicon.
Moduły sterowników
Do zmontowania sterownika modułowego niezbędna jest płyta łączeniowa, zwana także
kasetą (ang. rack), która posiada gniazda (ang. slots) do podłączenia wybranych modułów,
w tym dwóch niezbędnych: zasilacza (PS, ang. Power Supply) oraz modułu jednostki
centralnej (CPU, ang. Central Proccessing Unit).
Zasilacz zwykle podłączany jest do z
ródła napięcia 120/240 VAC, ale często stosuje się też
zasilacze podłączone do z
ródła 12/24/48 VDC. W tym drugim przypadku zasilacz i jednostka
centralna mogą stanowić jeden moduł  przeważnie podwójnej szerokości.
W niektórych sterownikach CPU zapewnia, oprócz obsługi modułów z podstawowej płyty
łączeniowej, która zwykle umożliwia zamontowanie od kilku do dziesięciu modułów, także
obsługę pewnej liczby płyt rozszerzających (ang. expansion baseplates), oddalonych do
kilku, kilkunastu metrów od płyty podstawowej, lub płyt zdalnych (ang. remote baseplates),
odległych od płyty podstawowej nawet do kilkuset metrów. Stanowią one tzw. stanowiska
oddalonych wejść/wyjść (RIOS, ang. Remote Input/Output Station), które zawierają
interfejsy wejścia i/lub wyjścia, umożliwiając ich obsługiwanie tylko pod kontrolą jednostki
centralnej i w ograniczonym zakresie. Obsługiwanie to obejmuje multipleksowanie wejść lub
demultipleksowanie wyjść oraz wstępne i końcowe przetwarzanie danych.
Moduły podstawowe:
" Moduły wejść i wyjść cyfrowych (ang. Digital Input, Digital Output), zwane także
modułami we/wy dyskretnych (ang. discrete)
" Moduły wejść i wyjść analogowych (ang. Analog Input, Analog Output).
Inne moduły (w tym tzw.  inteligentne ):
" Moduły szybkich liczników (HSC, ang. High-Speed Counter),
" Moduły pozycjonowania osi (APM, ang. Axis Positioning Module),
" Moduły komunikacyjne, do podłączenia sterownika do sieci lokalnej w określonym
standardzie,
" Moduły wejściowe dla czujników temperatury,
" Moduły regulatora PID lub regulatory rozmyte,
" Moduły akwizycji kodu paskowego itd.
W pierwszym etapie programowania sterownika ustala się jego konfigurację. Odbywa się to
za pomocą systemu programującego sterownik, w którym wprowadza się podstawowe
informacje o zastosowanych elementach sprzętu oraz ich parametrach. Konfiguracja taka
stanowi pewien rodzaj interfejsu między oprogramowaniem a sprzętem i obejmuje:
" liczbę i typy płyt łączeniowych (kaset), z których zbudowany jest sterownik, oraz typy
modułów włączonych do poszczególnych gniazd w płytach (podstawowej i ewentualnie
w płytach rozszerzeń lub zdalnych), poczynając od modułów zasilacza i CPU;
" te parametry poszczególnych modułów, które mogą być ustawione przez
użytkownika, np. zakresy sygnałów dla modułów analogowych, praca w trybie
prądowym czy napięciowym, sposób kodowania (np. binarny, BCD), adresy
przyporządkowanych zmiennych wejściowych i/lub wyjściowych.
W starszych rozwiązaniach niektóre z parametrów modułów ustawiane są w sposób
sprzętowy, np. za pomocą odpowiednich zworek w module, w nowszych właściwie cała
parametryzacja odbywa się programowo. Dla modułów komunikacyjnych podaje się przede
wszystkim parametry łącza komunikacyjnego, jak np. prędkość transmisji, adres w sieci,
organizacja danych i sposób zabezpieczenia, adresy w pamięci dla wysyłanych lub
przyjmowanych danych itd.
W ramach konfiguracji sprzętowej należy określić przypisanie adresów w pamięci stanu
sterownika do poszczególnych wejść czy wyjść w modułach, tzw. mapowanie (ang I/O Map).
Zadanie mapowania jest różnie rozwiązane w różnych sterownikach. Na ogół użytkownik
może przypisać poszczególnym punktom I/O wybrane przez siebie adresy z dopuszczalnego
dla danego CPU zakresu (np. sterowniki GE Fanuc, Schneider Modicon). W niektórych
sterownikach jednak adresy takie są automatycznie przydzielane na podstawie kolejności
i typów modułów w poszczególnych gniazdach (np. Simatic czy Allen Bradley).
Program użytkownika oraz zapis konfiguracji sterownika w CPU może być zabezpieczony
kluczem programowym.
Jednostka Centralna (CPU)
Obecnie producenci wprowadzają całe rodziny sterowników, co pozwala na lepsze
zaspokojenie potrzeb rynku i umożliwia właściwy dobór sprzętu dla różnych wielkości
projektowanych instalacji. Sterowniki danej rodziny programuje się w ten sam sposób, za
pomocą tego samego narzędzia, natomiast poszczególne modele CPU różnią się przede
wszystkim możliwościami obliczeniowymi i komunikacyjnymi, tj. szybkością
(częstotliwością zegara), pojemnością pamięci przeznaczonej na program i dane użytkownika,
liczbą obsługiwanych punktów I/O, możliwością korzystania ze specjalnych funkcji (np.
operacje zmiennoprzecinkowe), liczbą łączy komunikacyjnych itp.
Parametrem, który charakteryzuje szybkość poszczególnych jednostek CPU jest czas
typowego cyklu programowego, tj. czas wykonywania 1000 (1K) instrukcji bitowych lub
czas wykonywania 1K instrukcji mieszanych, w tym zazwyczaj 2/3 instrukcji bitowych i 1/3
instrukcji arytmetycznych. Niektórzy producenci sterowników podają natomiast czas
wykonania 1000 instrukcji bitowych i 200 arytmetycznych.
Do podstawowych danych charakteryzujących CPU zalicza się:
" Czas typowego cyklu programowego;
" Sposób zasilania;
" Maksymalna liczba wejść i wyjść cyfrowych i analogowych, ewentualnie także
maksymalna liczba obsługiwanych modułów lub podstawek;
" Wielkość pamięci przeznaczonej na program aplikacji i dane oraz typ stosowanej pamięci
(RAM, EPROM, FLASH);
" Możliwość wykonywania obliczeń zmiennoprzecinkowych;
" Możliwość forsowania zmiennych, tzn. możliwość wymuszania z programatora
określonych wartości dla zmiennych w sterowniku. Forsowanie takie jest szczególnie
przydatne na etapie testowania programu lub całego systemu sterowania;
" Liczba portów, stosowane standardy i protokoły do komunikacji szeregowej oraz sieci
Ethernet. W niektórych sterownikach (np. GE Fanuc serii 90-30) podstawowy port
szeregowy do podłączenia programatora znajduje się nie na CPU, ale na zasilaczu.
Często CPU sterownika udostępnia także do programowania podtrzymywany bateryjnie zegar
czasu rzeczywistego, który można synchronizować poprzez łącza komunikacyjne.
Moduł CPU wyposażony jest zwykle w pewną liczbę diod typu LED, sygnalizujących stan
pracy sterownika, np. zasilanie (POWER, READY), tryb pracy (RUN, STOP itp.), wystąpienie
błędu (FAULT) itp. oraz statusy łączy. W niektórych sterownikach, np. Allen Bradley serii
SLC 500 lub Simatic S7, moduł CPU wyposażony jest dodatkowo w kluczyk/przełącznik
umożliwiający wybór trybu pracy sterownika.
Cykl programowy i tryby pracy
Aby sterownik mógł skutecznie realizować zadania sterowania, musi pracować w tzw. czasie
rzeczywistym (ang. Real Time). Oznacza to, że reakcja sterownika w postaci obliczonego
sterowania w odpowiedzi na zdarzenie, które miało miejsce w obiekcie musi wystąpić
w określonym czasie, akceptowalnym z punktu widzenia wymagań stawianych temu
sterowaniu. W sterownikach uzyskuje się to na drodze cyklicznego odczytu stanu sygnałów
wejściowych sterownika, realizacji programu użytkownika i aktualizacji sygnałów
wyjściowych. Tak więc sterownik pracuje w pewnym cyklu, zwanym cyklem programowym
(ang. Program Sweep). Aby zapewnić odpowiednio szybką odpowiedz
sterownika, cykl ten
musi być odpowiednio krótki, znacznie mniejszy niż wymagania czasowe nałożone na system
sterowania. W zależności od CPU sterownika, długości programu i liczby obsługiwanych
modułów cykl programowy może trwać od ułamków ms do kilkudziesięciu ms.
Często w sterownikach istnieje także możliwość ustawienia czasu trwania cyklu na stałą
wartość (ang. Constant Sweep), co może być przydatne w niektórych zastosowaniach.
W takim przypadku zadany czas trwania cyklu powinien być nieco większy niż rzeczywisty
czas potrzebny na wykonanie wszystkich faz cyklu.
Typowy cykl programowy sterownika składa się z następujących faz:
1. Inicjalizacja cyklu (ang. House-keeping);
2. Czytanie stanów wejść (ang. Data Input);
3. Wykonanie programu użytkownika (ang. Program Execution);
4. Aktualizacja stanów wyjść (ang. Data Output);
5. Obsługa urządzeń zewnętrznych (ang. Service External Devices);
6. Wykonanie funkcji diagnostycznych (ang. Diagnostics).
Przykładowe czasy odczytu i zapisu przez CPU danych dla wybranych modułów
sterowników GE Fanuc serii 90-30:
Czas [ms]
Typ modułu
Płyta Płyta Płyta zdalna
główna rozszerze
ń
Moduł 16 wejść cyfrowych 0,030 0,055 0,206
Moduł 16 wyjść cyfrowych 0,030 0,053 0,197
Moduł 4 wejść analogowych 0,075 0,105 0,396
Moduł 2 wyjść analogowych 0,058 0,114 0,402
Moduł 16 wejść analogowych 0,978 1,446 3,999
Moduł 8 wyjść analogowych 1,274 1,988 4,472
Moduł szybkiego licznika HSC 1,381 2,106 5,221
Moduł pozycjonowania APM (1 oś) 1,527 2,581 6,388
Moduł Ethernet 0,038 0,041 0,053
Moduł bez podłączeń 0,567 0,866 1,830
komunikacyjny
32 węzły po 64 punkty 1,714 2,514 5,783
GCM sieci Genius
I/O
Moduł GBC bez podłączeń 0,798 1,202 2,540
kontrolera sieci
32 węzły po 64 punkty 18,38 25,377 70,777
Genius
I/O
czytanie 128 rejestrów 0,485 - -
Niektóre z faz cyklu programowego mogą być w pewnych trybach pracy sterownika
pomijane. Wyróżnia się dwa podstawowe tryby pracy sterownika:
" Tryb RUN (tryb wykonywania)  jest to właściwy tryb pracy sterownika, w którym
wykonywane są wszystkie fazy cyklu;
" Tryb STOP  tryb zatrzymania sterownika.
Przejście w tryb RUN odbywa się albo na drodze wysłania odpowiedniego polecenia do
sterownika z programatora, albo może być wykonane za pomocą specjalnego klucza lub
przełącznika umieszczonego na CPU (np. w sterownikach Allen-Bradley serii SLC500 czy
Simatic S7).
Tryb STOP (nazywany w sterownikach Allen-Bradley trybem PROGRAM) przeznaczony jest
głównie do programowania lub konfigurowania sterownika. Przejście w tryb STOP można
uzyskać przez wysłanie odpowiedniego polecenia do sterownika z programatora (lub użycie
klucza przełączeń trybu pracy na CPU), ale może być także spowodowane wystąpieniem
błędu w sterowniku. W trybie STOP fazy odczytu, wykonania programu i aktualizacji wyjść
nie są realizowane, chociaż w niektórych sterownikach istnieje możliwość takiego
skonfigurowania CPU, aby fazy odczytu i aktualizacji wyjść były w tym trybie wykonywane
(np. w sterownikach GE Fanuc 90-30 tryb STOP I/O SCAN).
W niektórych sterownikach istnieje także możliwość wykorzystania specjalnych trybów
przeznaczonych do testowania, np. praca z pojedynczym cyklem (ang. Single Sweep), co
oznacza, że wykonywany jest tylko jeden pełny cykl w trybie RUN, po czym sterownik
przechodzi w tryb STOP. Inne możliwości, to praca krokowa (wykonanie tylko jednego
rozkazu) lub praca z normalnym cyklem, ale bez aktywizacji sygnałów wyjściowych
w modułach wyjść cyfrowych (w celu testowania programu bez włączania napędów czy
urządzeń).
Czas trwania cyklu sterownika (ang. Scan Time) nie może być dowolnie długi. W CPU
istnieje układ zegara, tzw. watchdog (albo inaczej układ WD), zabezpieczającego przed
zawieszeniem sterownika. Dopuszczalny czas trwania cyklu wynosi zwykle od około 100 do
500 ms. W przypadku przekroczenia tego ograniczenia cykl sterownika jest przerywany
i sterownik przechodzi w tryb STOP z sygnalizacją błędu przekroczenia czasu trwania cyklu.
Moduły wejść cyfrowych
Moduły wejść cyfrowych zamieniają sygnały prądu stałego lub przemiennego pochodzące
z takich urządzeń, jak np. przyciski, przełączniki, styki ograniczników itp. (tzw. wejście
cyfrowe typu 1) lub z wszelkiego rodzaju półprzewodnikowych układów przełączających, np.
wyłączniki zbliżeniowe (tzw. wejście cyfrowe typu 2). W produkowanych obecnie modułach
do takiej zamiany wykorzystywany jest zazwyczaj przetwornik optyczny, zapewniający tym
samym optoizolację między obwodami wejściowymi, a obwodami magistrali sterownika.
Przetworzone na postać binarną wartości z wejść cyfrowych umieszczane są w fazie czytania
sygnałów wejściowych cyklu sterownika w jednobitowych komórkach w obszarze danych
wejściowych CPU. Wg normy IEC 61131-3 zmienne te oznaczane są przez %I lub %IX.
Obwody wejściowe w modułach wejść cyfrowych najczęściej zasilane są prądem stałym
24VDC, ale używane są także moduły dla prądu przemiennego 120/240 VAC. Obwody
wejściowe zwykle tworzą grupy obejmujące 8, 16 lub 32 wejścia, podłączone do wspólnego
z
ródła zasilania. Spotyka się także moduły o oddzielnych obwodach wejściowych (ang.
isolated), izolowanych galwanicznie, gdzie każdy obwód ma swoje z
ródło zasilania. Dotyczy
to zwłaszcza obwodów prądu przemiennego.
Polaryzacja z
ródła zasilania dla obwodów wejściowych prądu stałego zależy od typu
zastosowanego modułu. Dla najczęściej stosowanych wejściowych modułów cyfrowych
odbierających prąd (typu ujście, ang. Sink In), które nazywa się też modułami o logice
dodatniej (ang. Positive Logic), biegun dodatni z
ródła zasilania łączy się ze stykami
obwodów wejściowych, a biegun ujemny ze wspólnym zaciskiem masy w module. Nazwa
tych modułów wynika stąd, że w przypadku zamknięcia styku wejściowego prąd płynie od
obiektu do modułu, a na zacisku wejściowym modułu pojawia się polaryzacja dodatnia (stąd
dodatnia konwencja logiczna). W modułach takich wszelkie zwarcia do zerowego potencjału
odniesienia lub przerwy w przewodach są traktowane przez moduł jako stan wyłączenia.
W modułach takich wszelkie zwarcia do zerowego potencjału odniesienia lub przerwy
w przewodach są traktowane przez moduł jako stan wyłączenia.
Dla wejściowych modułów cyfrowych dostarczających prąd (typu z
ródło, ang. Source In),
które nazywa się też modułami o logice ujemnej (ang. Negative Logic) z
ródło zasilania łączy
się w sposób odwrotny.
Dla większości produkowanych obecnie modułów można dla grupy wejść stosować
polaryzację dodatnią albo ujemną. Poza optoizolacją, w modułach takich zapewnia się także
filtrację składowej zmiennej sygnału, która pojawia się w trakcie zwierania i rozwierania
styków zainstalowanych w czujnikach obiektowych. Dane z grupy obejmującej zwykle 8, 16
lub 32 wejścia są umieszczane w buforze danych binarnych. Stan poszczególnych bitów
takiego bufora jest sygnalizowany przez diody typu LED.
Schemat obwodu wewnętrznego i układu połączeń zewnętrznych modułu wejść prądu stałego
MDL 646 (24Volt DC Positive/Negative Input Module):
Do innych obwodów
Połączenie
optyczne
Schemat obwodu wewnętrznego i układu połączeń zewnętrznych modułu wejść prądu
przemiennego MDL 231 (240 Volt AC Isolated Input Module):
Połączenie
optyczne
Podstawowe parametry techniczne modułu wejść cyfrowych to:
" Napięcie znamionowe (ang. Rated Voltage)  zwykle 24VDC lub 120/240 VAC;
" Liczba wejść modułu (ang. Number of Inputs), ewentualnie liczba grup (ang. Number of
Groups);
" Wartość skuteczna (RMS) napięcia przebicia izolacji (ang. Isolation);
" Charakterystyki wejściowe (elektryczne) dla stanu ON (włączenia) i OFF (wyłączenia)
(ang. Electrical Characteristics, ON State Level, OFF State Level);
" Czas odpowiedzi po zadziałaniu i po zwolnieniu (ang. ON Response, OFF Response
Time);
" Pobór prądu (ang. Power Consumption, Internal Power Dissipation);
" Warunki pracy  temperatura, wilgotność, drgania (ang. Operating Conditions 
Temperature, Humidity, Vibration).
Moduły wyjść cyfrowych
Moduły wyjść cyfrowych (ang. Digital Output), zwane też modułami wyjść dyskretnych (ang.
Discrete Output), zamieniają obliczone w sterowniku binarne sygnały sterujące na sygnały
prądu stałego lub przemiennego, potrzebne do wysterowania urządzeń takich, jak przekaz
niki,
lampki sygnalizacyjne, zawory dwupołożeniowe itp. Urządzenia te w obwodach wyjściowych
zasila się ze z
ródła zewnętrznego.
Zamiany sygnałów dokonuje się głównie przez zamykanie lub otwieranie obwodów
wyjściowych za pomocą łączników tranzystorowych lub tyrystorowych, albo styków
przekaz
ników. Przekaz
niki te umieszczone są wewnątrz modułu (ang. Relay Output), a ich
styki mogą być zwierne (ang. Normally Open, N.O.), albo rozwierne (ang. Normally Closed,
N.C.), albo przełączane (ang. Form C Relay), dla których każdemu wyjściu udostępnione są
dwa styki  jeden zwierny a drugi rozwierny.
W czasie fazy aktualizacji sygnałów wyjściowych w cyklu sterownika zmienne z obszaru
CPU zawierającego dane wyjściowe binarne przepisywane są do bufora w module
wyjściowym. Stan poszczególnych bitów takiego bufora jest zwykle sygnalizowany przez
diody typu LED. Wg normy IEC 61131-3 zmienne te oznaczane są przez %Q lub %QX.
Obwody wyjściowe w modułach wyjść cyfrowych najczęściej zasilane są prądem stałym
24VDC, ale używane są także moduły dla prądu przemiennego 120/240 VAC. Obwody
wyjściowe zwykle tworzą grupy obejmujące 8, 16 lub 32 wyjścia, podłączone do wspólnego
z
ródła zasilania. Spotyka się także moduły o oddzielnych obwodach wyjściowych (ang.
isolated), izolowanych galwanicznie, gdzie każdy obwód ma swoje z
ródło zasilania. Dotyczy
to zwłaszcza obwodów prądu przemiennego.
Podobnie jak dla modułów wejściowych, polaryzacja z
ródła zasilania zewnętrznego dla
modułów z łącznikami elektronicznymi zależy od typu zastosowanego modułu prądu stałego.
Dla powszechnie stosowanych wyjściowych modułów cyfrowych dostarczających prąd (typu
z
ródło, ang. Source Out), które nazywa się też modułami o logice dodatniej (ang. Positive
Logic), stosuje się polaryzację dodatnią. Nazwa modułu wynika stąd, że w stanie załączenia
prąd płynie od modułu do obiektu, a na zaciskach wyjściowych modułu pojawia się
polaryzacja dodatnia (stąd dodatnia konwencja logiczna). W modułach takich wszelkie
zwarcia do zerowego potencjału odniesienia lub przerwy w przewodach są traktowane przez
układy obciążające wyjście jako stan wyłączenia. (Uwaga  w książce na str. 16 i 129 moduły
typu SOURCE OUT nazwano błędnie modułami o logice ujemnej)
W przypadku rzadziej stosowanych wyjściowych modułów cyfrowych odbierających prąd
(typu ujście, ang. Sink Out), które nazywa się też modułami o logice ujemnej (ang. Negative
Logic) obwody wyjściowe zasilane są w odwrotny sposób. Tutaj w stanie załączenia prąd
płynie od obiektu do modułu (stąd ujście), a na zaciskach wyjściowych modułu pojawia się
polaryzacja ujemna (stąd logika ujemna).
Dla modułów przekaz
nikowych można stosować wspólną dla grupy obciążeń polaryzację
dodatnią albo ujemną. Obwody tych modułów mogą być także zasilane ze z
ródła prądu
przemiennego.
Schemat obwodu wewnętrznego i układu połączeń zewnętrznych
dla modułu wyjść prądu stałego MDL 742:
Do innych
obwodów
W obwodach obu grup umieszczono elektroniczne zabezpieczenie przed skutkami zwarć,
oznaczone przez ESCP (ang. Electronic Short Circuit Protection). Moduł ten został
zaprojektowany jedynie dla dodatniej polaryzacji z
ródła zasilania. W każdym obwodzie
modułu jest kondensator filtrujący składowe zmienne napięcia, a ponadto dioda
zabezpieczająca przed skutkami przepięć. Moduł ten dopuszcza uderzenia prądowe przez czas
10 ms o wielkościach pięciokrotnie większych od natężenia prądu nominalnego.
Najczęstszymi obciążeniami dla modułów wyjściowych są obciążenia indukcyjne, głównie
cewki przekaz
ników lub styczników. Dla ochrony przed skutkami przepięć związanych
głównie z wyłączeniami elementów obciążenia indukcyjnego powinny być stosowane diody
zabezpieczające dla obwodów prądu stałego, zaś dla prądu przemiennego układy RC, diody
Zenera lub warystorowe ograniczniki przepięć.
Ochrona styków przekaz
ników w modułach wyjść przed skutkami przepięć
przy obciążeniu indukcyjnym:
a) b)
.022mF
100 &!
0.5 W
1A, 100V 630V
DQ DQ
c) d)
DQ DQ
Podstawowe parametry techniczne modułu wyjść cyfrowych to:
" Napięcie znamionowe (ang. Rated Voltage);
" Liczba wyjść modułu (ang. Number of Outputs), ewentualnie liczba grup (ang. Number of
Groups);
" Wartość skuteczna (RMS) napięcia przebicia izolacji (ang. Isolation);
" Charakterystyki wyjściowe (elektryczne) dla stanu ON (włączenia) i OFF (wyłączenia)
(ang. Electrical Characteristics, ON State Level, OFF State Level);
" Czas odpowiedzi po zadziałaniu i po zwolnieniu (ang. ON Response, OFF Response
Time);
" Natężenie prądu w jednym obwodzie (ang. Load Current/Output);
" Maksymalna suma prądów we wszystkich obwodach (ang. Max Load Current/Module);
" Natężenie uderzenia prądowego przez czas 10 ms (ang. Inrush Current);
" Pobór prądu (ang. Power Consumption, Internal Power Dissipation);
" Warunki pracy  temperatura, wilgotność, drgania (ang. Operating Conditions 
Temperature, Humidity, Vibration).
Moduły wejść analogowych
Moduły wejść analogowych (ang. Analog Input) przetwarzają sygnały wejściowe (prądowe
lub napięciowe) o wartościach ciągłych, w przeciwieństwie do modułów cyfrowych, których
wejścia i wyjścia mogą przyjmować tylko dwie wartości: 1 (ON) lub 0 (OFF). Przetworzone
na postać cyfrową wartości z wejść analogowych umieszczane są w fazie czytania sygnałów
wejściowych cyklu sterownika, por. punkt 0, w 16-bitowych słowach w obszarze danych
wejściowych CPU. Wg normy IEC 61131-3 zmienne te oznaczane są przez %IW.
Podstawowym elementem modułu jest przetwornik analogowo-cyfrowy (A/D, ang. Analog
to Digital), zwykle 12-bitowy, stąd w różnych sterownikach wprowadzono różne sposoby
przepisania wartości wyjściowej z przetwornika A/D do słowa 16-bitowego. Na przykład
w sterownikach GE Fanuc lub rodziny Momentum firmy Schneider-Modicon wartości te
przepisywane są do bitów bardziej znaczących, w innych sterownikach do bitów mniej
znaczących. W niektórych sterownikach (np. rodzina TSX Compact firmy Schneider-
Modicon) na etapie konfiguracji modułu określa się sposób kodowania wartości analogowej.
Ma to istotne znaczenie przy dalszym przetwarzaniu sygnału, albowiem od tego zależy
zarówno zakres wartości, jak i dokładność przedstawienia w postaci liczbowej.
Jeżeli np. moduł wejść analogowych skonfigurowany jest w taki sposób, że wejściowy sygnał
napięciowy w zakresie +/ 10V jest kodowany w pamięci sterownika w postaci liczby
12 bitowej bez znaku, to oznacza, że wartości  10V odpowiada liczba 0, 0V odpowiada liczba
2048, a +10V  liczba 4095. I fakt ten musi być uwzględniony przy dalszym przetwarzaniu
sygnału. Jeżeli z kolei ten sam sygnał analogowy przetworzony będzie do postaci liczby
15 bitowej plus znak (liczba typu Integer), to w przypadku 12 bitowego przetwornika A/D
oznacza, że 4 najmniej znaczące bity w słowie sterownika zawierającym zakodowaną wartość
analogową nie mają znaczenia. A więc jeżeli np. sygnał ten ma być wprowadzony na wejście
bloku regulacji PID, to należy wprowadzić odpowiednią strefę nieczułości na wejściu tego
bloku, aby wszelkie nieistotne zmiany sygnału (poniżej progu rozdzielczości) nie
powodowały działania algorytmu PID.
Obecnie coraz częściej produkowane moduły wejść analogowych są na tyle uniwersalne, że
umożliwiają pracę dla różnych zakresów sygnału prądowego albo napięciowego. Stąd dla
tego typu modułów wymagane jest zadeklarowanie zakresu sygnału wejściowego. Deklaracja
taka zazwyczaj realizowana jest w sposób programowy, gdzie na etapie konfiguracji
sterownika podaje się, oprócz przyporządkowanych do modułu adresów zmiennych
wejściowych, także zakresy sygnałów i opcjonalnie rozdzielczość. W starszych rozwiązaniach
realizowane to było w sposób sprzętowy, np. przez użycie odpowiednich zworek w module.
Typowe wartości znamionowe dla sygnałów analogowych są następujące:
"  10 V, +10 V;
" 0 V, +10 V;
" +1 V, +5 V;
" 4 mA, 20 mA;
" 0 mA, 20 mA.
W niektórych modułach w ramach konfiguracji zakresów dla poszczególnych kanałów można
dodatkowo ustalić wartości graniczne dla alarmu górnego i dolnego, których przekroczenie
jest sygnalizowane przez wartości zmiennych binarnych %I o zadeklarowanych adresach.
Wejścia analogowe mogą być wejściami różnicowymi (ang. differential) albo
jednokońcówkowymi (ang. single-ended). W przypadku wejścia różnicowego konwertowana
jest różnica napięć między wejściami IN+ i IN . Wejście takie jest mniej czułe na zakłócenia,
a zwłaszcza na zmiany prądów uziemień. Oba wejścia są odniesione do napięcia wspólnego
oznaczonego jako COM. Średnie napięcie na łączu IN w odniesieniu do COM jest nazywane
napięciem wspólnym (ang. Common Mode Voltage). Asymetria układów wejść analogowych
sprawia, że napięcie wspólne powoduje pojawienie się napięcia na wyjściu układu dając efekt
identyczny do podania na wejście niewielkiego napięcia różnicowego. Dla kanałów
jednokońcówkowych konieczna jest wspólna masa dla grupy obwodów wejść analogowych.
Parametrami metrologicznymi wejść analogowych są:
" Rozdzielczość (ang. Resolution).
Wyjściowy sygnał cyfrowy kanału może przyjmować tylko pewne wartości dyskretne.
Istnieje więc błąd kwantyzacji, który jest jednakowy w całym przedziale sygnału
wejściowego. Maksymalną wartość błędu kwantyzacji określa najmniej znaczący bit LSB
(Least Significant Bit) rejestru przetwornika analogowo-cyfrowego A/D. Rozdzielczość
jest określona przez ten błąd kwantowania przetwornika i wyraża się jako waga najmniej
znaczącego bitu  np. 4 �A/bit LSB.
" Dokładność (ang. Accuracy).
Zależy od tolerancji elementów użytych jako komponenty obwodów modułu.
Dokładność wyznacza się przez określenie maksymalnej różnicy między wartością
oczekiwaną i mierzoną  np. ą0.25% całej skali dla temperatury do 25 �C, ą0.5% całej
skali powyżej 25 �C.
" Liniowość (ang. Linearity).
Jest to różnica między zmierzonymi zmianami dla dwóch sąsiednich kanałów dokładnie
o jeden bit LSB  np. mniejsza od 1 LSB w zakresie od 4 do 20 mA.
" Tłumienie napięcia wspólnego
Współczynnik tłumienia napięcia wspólnego CMRR (ang. Common Mode Rejection
Ratio) wyraża się w decybelach, podając pomnożony przez 20 logarytm dziesiętny
stosunku napięcia wspólnego do napięcia różnicowego odpowiadającego jego wpływowi
na wyjście kanału. Określa on tłumienie napięcia wspólnego w kanale  np. większe od
80 dB (104 :1) w zakresie od 0 do 1 kHz.
" Tłumienie zakłóceń międzykanałowych.
Określa wpływ zmian w sąsiednim kanale na kanał badany. Współczynnik tłumienia
zakłóceń międzykanałowych CCRR (ang. Cross-Channel Rejection Ratio) wyraża się
w decybelach, podając pomnożony przez 20 logarytm dziesiętny stosunku sygnału
w kanale sąsiednim do sygnału w kanale badanym, np. większe od 100 dB (105 :1)
w zakresie od 0 do 1 kHz.
" Czas uaktualnienia (ang. Update Rate) podanej liczby kanałów wejściowych, np. 4ms.
Inne istotne parametry modułu wejść analogowych to:
" Liczba kanałów (ang. Number of Channels);
" Zakresy prądu wejściowego (ang. Input Current Ranges) lub zakresy napięcia
wejściowego (ang. Input Voltage Ranges);
" Dopuszczalny zakres napięcia wejściowego, nie powodującego zniszczenia modułu (ang.
Absolute Maximum Input Voltage);
" Kalibracja (ang. Calibration);
" Dokładność bezwzględna (ang. Absolute Accuracy);
" Napięcie przebicia izolacji (ang. Isolation);
" Impedancja wejściowa (ang. Input Impedance);
" Zakres napięcia dla zasilania zewnętrznego (ang. External Supply Voltage Range) oraz
składowa zmienna zewnętrznego napięcia zasilania (ang. External Supply Voltage
Ripple);
" Pobór prądu (ang. Power Consumption, Internal Power Dissipation);
" Warunki pracy  temperatura, wilgotność, drgania (ang. Operating Conditions 
Temperature, Humidity, Vibration).
Moduły wejściowe zazwyczaj zapewniają filtrację sygnałów dla ochrony przed
wysokoczęstotliwościowymi pikami napięć. W danych katalogowych podaje się więc
częstotliwość graniczną filtracji dolnoprzepustowej.
Dla zmniejszenia wpływu pól elektromagnetycznych i elektrostatycznych na obwody
sygnałów analogowych stosuje się ekranowanie przewodów użytych w tych obwodach.
Przewód ekranu elektrostatycznego powinien być wykonany z materiału o dużej
przewodności i musi być podłączony z punktem uziemienia GND lub z punktem wspólnym
COM. Ważne jest to, aby ekrany nie stanowiły obwodów zamkniętych, przez które
mogłyby płynąć prądy. W takim przypadku bowiem nie zapewnia się eliminacji sprzężenia
między z
ródłem szumu a obwodami wejść analogowych. Ekrany elektromagnetyczne
powinny być wykonane z materiałów o dużej przenikalności magnetycznej i nie muszą być
uziemione. Eliminację wpływu szumów elektromagnetycznych uzyskuje się również stosując
dla obwodów wejściowych kable splecionych przewodów w ekranie (tzw. skrętka w ekranie).
Najczęściej stosuje się ekranowanie zapewniające tłumienie szumów zarówno
elektrostatycznych jak i elektromagnetycznych.
Moduł wejść analogowych dla sygnału prądowego
Schemat połączeń przetworników dwuprzewodowych z modułem
jednokońcówkowych wejść prądowych:
Dodatkowy
element obwodu
prądowego
A
250
&!
D
%IW1
A
250
&!
D
%IW2
GND
ANALOG
INPUT
24V
Moduł analogowy
dla wejść prądowych
Schemat połączeń przetworników czteroprzewodowych z modułem
różnicowych wejść prądowych:
Dodatkowy
element obwodu
prądowego
A
czujnik
250&!
4-przew.
D
%IW1
A
czujnik
250&!
4-przew. D
%IW2
GND
ANALOG
INPUT
24V
Moduł analogowy
dla wejść prądowych
Moduł wejść analogowych dla sygnału napięciowego
Moduły wejść napięciowych (ang. Analog Voltage Input Module) przetwarzają na postać
cyfrową wartości napięcia z
ródła o dużej rezystancji. Wartości te są proporcjonalne do
wielkości napięć tych z
ródeł, które z kolei zależą od sygnału pomiarowego.
Należy pamiętać, że jest to pomiar napięcia z
ródła, które nie powinno być zbyt obciążane.
Rezystancja wejściowa kanału powinna więc być duża, a wejścia o dużej rezystancji są
bardzo wrażliwe na zakłócenia, i z reguły przewody tych obwodów wejściowych muszą być
ekranowane. Powoduje to z kolei znaczne pojemnościowe obciążanie z
ródła, a co gorsza,
pojemność ta często może się zmieniać w czasie. Stosując wejścia napięciowe trzeba się więc
liczyć z obecnością nieraz dużych i zmiennych w czasie napięć zakłócających.
Wejścia napięciowe są wejściami różnicowymi. Przy takim połączeniu chodzi o pomiar
i przetworzenie napięcia różnicowego bez wpływu napięcia wspólnego. Kryterium oceny
jakości kanału pomiarowego stanowi współczynnik tłumienia napięcia wspólnego CMRR.
Schemat połączeń przetworników potencjałowych z modułem analogowym
dla wejść napięciowych:
Dodatkowy
element obwodu
napięciowego
- +
A
%IW1
D
- +
A
D
%IW2
GND
ANALOG
INPUT
połączenie opcjonalne
Moduł analogowy
dla wejść napięciowych
Moduły wyjść analogowych
W czasie fazy aktualizacji sygnałów wyjściowych w cyklu sterownika zmienne z obszaru
CPU zawierającego obliczone wartości sygnałów sterujących w postaci 16-bitowych słów są
przepisywane do modułów wyjść analogowych (ang. Analog Output), gdzie są przetwarzane
przez przetworniki cyfrowo-analogowe na wartości napięcia lub prądu w obwodach
wyjściowych tych modułów. Zapewnia się najczęściej optoizolację tych obwodów od
magistrali sterownika. Wielkości napięć lub natężeń prądów w poszczególnych obwodach
wyjściowych modułu są proporcjonalne do wartości tych zmiennych i zależą od
zadeklarowanej konfiguracji modułu. Wg normy IEC 61131-3 zmienne dla wyjść
analogowych oznaczane są przez %QW.
Podstawowym elementem modułu jest przetwornik cyfrowo-analogowy D/A (ang. Digital
to Analog), zwykle 12-bitowy, stąd w różnych sterownikach wprowadzono różne sposoby
przepisania wartości słowa 16-bitowego do rejestru wejściowego przetwornika D/A. Na
przykład w sterownikach GE Fanuc lub rodziny Momentum firmy Schneider Modicon
wartości te przepisywane są z bitów bardziej znaczących, w innych sterownikach z bitów
mniej znaczących. W niektórych sterownikach (np. rodzina TSX Compact firmy Schneider-
Modicon) na etapie konfiguracji modułu określa się sposób kodowania wartości analogowej.
Ma to istotne znaczenie przy obliczaniu sterowania, albowiem od tego zależy zakres wartości
zmiennej, która ma być przetworzona na sygnał analogowy.
Jeżeli np. moduł wyjść analogowych skonfigurowany jest w taki sposób, że wyjściowy sygnał
napięciowy w zakresie +/ 10V jest kodowany w pamięci sterownika w postaci liczby
12 bitowej bez znaku, to oznacza, że liczbie 0 odpowiada wartość  10V, liczbie 2048
odpowiada 0V, a liczbie 4095  sygnał +10V. I fakt ten musi być uwzględniony przy
obliczaniu wartości sygnału sterującego. Np. jeżeli sygnał sterujący pochodzi z bloku PID, to
do obliczonej wartości sterowania trzeba jeszcze dodać liczbę 2048 (tzw. offset lub bias), a
obliczona wartość musi mieścić się w granicach od 0 do 4095. Jeżeli z kolei ten sam sygnał
analogowy stanowi wynik przetworzenia liczby 15 bitowej plus znak (liczba typu Integer), to
oznacza, że obliczona wartość sterowania musi mieścić się w granicach od  32768 do +32767
oraz nie ma potrzeby dodawania offsetu.
Obecnie coraz częściej produkowane moduły wyjść analogowych są na tyle uniwersalne, że
umożliwiają pracę dla różnych zakresów sygnału prądowego albo napięciowego. Stąd dla
tego typu modułów wymagane jest zadeklarowanie zakresu sygnału wyjściowego. Deklaracja
taka zazwyczaj realizowana jest w sposób programowy, gdzie na etapie konfiguracji
sterownika podaje się, oprócz przyporządkowanych do modułu adresów zmiennych
wyjściowych, także zakresy sygnałów i opcjonalnie rozdzielczość. W starszych
rozwiązaniach realizowane to było w sposób sprzętowy, np. przez użycie odpowiednich
zworek w module.
Typowe wartości znamionowe dla sygnałów analogowych są następujące:
"  10 V, +10 V;
" 0 V, +10 V;
" +1 V, +5 V;
" 4 mA, 20 mA;
" 0 mA, 20 mA.
Ponadto często dla modułu wyjść analogowych deklaruje się (programowo, w trakcie
konfiguracji modułu, lub sprzętowo za pomocą zworek) jaka wartość sygnału ma być na
wyjściu w czasie zatrzymania sterownika (ang. Timeout State). Może to być np. wartość
zadeklarowana przez użytkownika (ang. User Defined), albo ostatnia wartość, jaka była na
wyjściu przed zatrzymaniem (ang. Last Value). Ten drugi przypadek jest wykorzystywany do
utrzymania elementu wykonawczego, np. zaworu, w pozycji, w jakiej był przed
zatrzymaniem sterownika.
Schemat połączeń obciążeń dla modułu wyjść analogowych dla sygnału prądowego:
Dodatkowy
element obwodu
prądowego
%QW1 D
A
%QW2
D
A
ANALOG
OUTPUT
24V
Moduł analogowy
dla wyjść prądowych
Do podstawowych parametrów technicznych modułu wyjść analogowych należą:
" Liczba kanałów (ang. Number of Channels);
" Zakresy prądu wyjściowego (ang. Output Current Ranges) lub zakresy napięcia
wyjściowego (ang. Output Voltage Ranges);
" Napięcie z
ródła zasilania (ang. User Supply Voltage);
" Dopuszczalny zakres napięcia wejściowego, nie powodującego zniszczenia modułu (ang.
Absolute Maximum Input Voltage);
" Rozdzielczość (ang. Resolution);
" Dokładność bezwzględna (ang. Absolute Accuracy);
" Czas uaktualniania (ang. Update Rate);
" Napięcie przebicia izolacji (ang. Isolation);
" Impedancja, indukcja i pojemność obciążenia (ang. Load Impedance, Inductance,
Capacitance);
" Zakres napięcia dla zasilania zewnętrznego (ang. External Supply Voltage Range) oraz
składowa zmienna zewnętrznego napięcia zasilania (ang. External Supply Voltage
Ripple);
" Pobór prądu (ang. Power Consumption, Internal Power Dissipation);
" Warunki pracy  temperatura, wilgotność, drgania (ang. Operating Conditions 
Temperature, Humidity, Vibration).
Systemy z redundancją
Aby zwiększyć niezawodność systemów sterowania, projektuje się coraz częściej systemy
z redundancją. Stosowane są one jednak przede wszystkim w dużych sterownikach, np. GE
Fanuc serii 90-70, Allen-Bradley serii PLC 5, Schneider-Modicon rodziny Quantum itp.
Gorąca rezerwa jednostki centralnej
Najczęściej stosowane są systemy z gorąca rezerwą jednostki centralnej (ang. Hot Standby).
Systemy takie bazują na dwóch identycznych (i identycznie skonfigurowanych)
sterownikach, połączonych ze sobą oraz z siecią oddalonych stanowisk I/O (RIOS).
Sterowniki takie, oprócz podstawek, zasilaczy (PS), jednostek centralnych (CPU), zawierają
także specjalizowane moduły do komunikacji w systemie Hot Standby oraz moduły do
komunikacji z siecią RIOS. Nie ma natomiast typowych modułów I/O  interfejs ze
sterowanym procesem jest realizowany wyłącznie za pomocą modułów oddalonych.
Gorąca rezerwa CPU w układzie dwóch sterowników:
Jednostka rezerwowa
Jednostka podstawowa
PS CPU RIO CHS PS CPU RIO CHS
Światłowód
Połączenie do sieci RIOS
Jeden ze sterowników pełni rolę jednostki podstawowej (ang. primary), a drugi jednostki
rezerwowej (ang. secondary). Jednostka podstawowa wykonuje program użytkownika oraz
obsługuje stanowiska RIOS. Jednocześnie w każdym cyklu sterownika uaktualnia ona stan
jednostki rezerwowej, przesyłając do niej zadeklarowany obszar pamięci danych. Tak więc
w przypadku awarii jednostki podstawowej, jednostka rezerwowa jest zawsze gotowa przejąć
sterowanie procesem w czasie jednego cyklu.
Tryby pracy podstawowej oraz rezerwowej są przełączalne. Każdy z obu sterowników może
pełnić rolę jednostki podstawowej, ale wtedy drugi musi być w trybie pracy rezerwowej. Sieć
stanowisk RIOS jest zawsze obsługiwana przez jednostkę podstawową.
Szczególną rolę pełnią tu specjalizowane moduły do komunikacji Hot Standby. Moduły te
monitorują sterowniki, w których są umieszczone i komunikują się wzajemnie między sobą.
Tak więc system cały czas sam monitoruje swoją pracę. Po wykryciu błędu w jednostce
podstawowej, moduł CHS w jednostce rezerwowej przełącza sterowanie na jednostkę
rezerwową, która w ten sposób staje się jednostką podstawową. Warunki przejęcia sterowania
określa się w konfiguracji systemu. Tryby pracy obu sterowników mogą być również
zamienione przez wyzwolenie przycisku w module CHS jednostki rezerwowej lub przez
procedury w programie użytkownika. Jeżeli wystąpi błąd w jednostce rezerwowej, to
jednostka podstawowa kontynuuje pracę bez rezerwy.
Rozwiązanie takie zapewnia kontynuację działania systemu nawet w razie wystąpienia błędu
w jednostce podstawowej. Umożliwia ponadto zmiany oprogramowania w czasie pracy
systemu.
W systemie gorącej rezerwy konieczna jest synchronizacja pracy obu sterowników.
Synchronizacja cyklu pracy obejmuje przede wszystkim wymianę zadeklarowanych w trakcie
konfiguracji systemu obszarów pamięci danych. W trakcie wykonywania cyklu przez
jednostkę podstawową system gorącej rezerwy dokonuje transferu tych danych z jednostki
podstawowej do rezerwowej w trzech krokach:
" transfer z CPU jednostki podstawowej do modułu CHS w tym sterowniku;
" z modułu CHS jednostki podstawowej do modułu CHS w drugim sterowniku;
" z drugiego modułu CHS do CPU jednostki rezerwowej.
Na początku każdego cyklu CPU jednostki podstawowej przesyła określone dane do swego
modułu komunikacji. Natychmiast po zakończeniu przekazywania danych przechodzi ona do
dalszego wykonywania swojego cyklu, tj. obsługi wejść, wykonywania programu i obsługi
wyjść. W tym czasie realizowany jest drugi i trzeci krok przekazywania danych. Jeżeli
wykonywanie programu użytkownika trwa dłużej niż drugi i trzeci krok transferu, to cały cykl
sterownika nie jest wydłużony. Jeżeli jednak program użytkownika jest dość krótki, to
transfer danych z jednego modułu do drugiego i do jednostki rezerwowej może spowodować
wydłużenie cyklu jednostki podstawowej. Odpowiednia optymalizacja liczby
przekazywanych danych w trakcie konfiguracji systemu umożliwia redukcję tego czasu.
Modułowy system potrójnego rezerwowania
Inny przykład rozwiązania zwiększającego niezawodność systemu sterowania stanowi
modułowy system potrójnego rezerwowania (TMR, ang. Triple Modular Redundancy),
bazujący na sterownikowej sieci obiektowej firmy GE Fanuc o nazwie Genius. System ten
może korzystać z trzech czujników wejściowych (tego samego sygnału), których stany są
przekazywane przez odrębne sieciowe magistrale, by następnie programowo ustalać
sterowanie jako wynik głosowania typu  dwa z trzech .
Sterowanie jest również przekazywane tymi samymi magistralami do bloków wyjść, których
obciążenie stanowi element wykonawczy połączony w tzw. układzie H. Rozwiązanie to daje
zarówno dużą pewność załączenia będącego wynikiem sumy boolowskiej dwóch wyjść, jak
i wyłączenia, które jest realizowane jako wynik iloczynu boolowskiego dwóch wyjść.
Przykład systemu z potrójną redundancją:
Potrójna magistrala
Genius
Obciążenie
Potrójne czujniki


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Budowa i zasada działania programowalnych sterowników PLC
STEROWNIK PLC JAKO UKŁAD KONTROLI PRACY MASZYN ELEKTRYCZNYCH
2 Architektura sterowników PLC materiały wykładowe
Programowanie sterownika PLC S7 200
Programowanie sterowników PLC na przykładzie Sterownika Twido firmy Schneider
5 Sterowniki PLC wejściawyjścia binarne (2)
9 Praktyczna realizacja sterowania logicznego na bazie sterownika PLC oraz modelu przejścia dla pies
08Inne funkcje sterownika PLC
07Inne funkcje sterownika PLC
09 Programowanie sterownika PLC
Parametry i podłączania programowalnych sterowników PLC
09Inne funkcje sterownika PLC

więcej podobnych podstron