Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamosmérnöki és Informatikai Kar Irányítástechnika és Informatikai Tanszék. Önálló laboratórium

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamosmérnöki és Informatikai Kar Irányítástechnika és Informatikai Tanszék

Önálló laboratórium Ipari centrifuga vezérlése S7 1200 sorozatú PLC-vel TiaPortal V11 Basic fejlesztői környezetben

Sajtos Dóra

KONZULENS

Kovács Gábor KÜLSŐ KONZULENS

Barabás Zsolt – Siemens Zrt. BUDAPEST, 2013

Sajtos Dóra

Ipari centrifuga vezérlése S7 1200 sorozatú PLC-vel

Tartalom

1

2

Bevezetés ............................................................................................................................ 4 1.1

A PLC általánosságban ................................................................................................. 5

1.2

PLC történelem ............................................................................................................ 6

Az irányított technológia bemutatása ................................................................................ 8 2.1

2.1.1

Öblítés .................................................................................................................. 9

2.1.2

Megtartási szakasz ............................................................................................... 9

2.2 3

Az inertizálás szabályai (MI-09-96305-85 műszaki irányelvek alapján) ...................... 9

Folyamat és műszerezés ............................................................................................ 11

Az irányítórendszer felépítése .......................................................................................... 12 3.1

Az S7-1200 PLC család ............................................................................................... 12

3.1.1 3.2 4

Bővítő modulok.......................................................................................................... 14

A fejlesztői környezet ........................................................................................................ 15 4.1

TIA-Portal ................................................................................................................... 15

4.2

Kiindulási „Project view” képernyő: .......................................................................... 16

4.3

„Overview” képernyő ................................................................................................ 16

4.4

Munkaterület ............................................................................................................ 17

4.4.1 5

A központi egység: 1212C CPU ........................................................................... 13

A munkaterület funkciói ..................................................................................... 17

PLC program ...................................................................................................................... 18 5.1

Biztonsági jelek előállítása (SafetyFB) ....................................................................... 19

5.1.1

Biztonsági feltételek ........................................................................................... 19

5.1.2

Fugatér túlnyomás figyelése üzenet .................................................................. 21

5.1.3

Fugatér túlnyomás figyelése .............................................................................. 21

5.2

A berendezés inertizálása (InertFB)........................................................................... 23

5.3

Az inert nyomás tartása (NyomásVezFB) .................................................................. 26

5.3.1

Túlnyomás tartása .............................................................................................. 26

5.3.2

Feltöltési hiba figyelése ...................................................................................... 27

5.4

Fugamotor működtetése (FugaInditFB) .................................................................... 28

2

Sajtos Dóra

6

7


5.5

Fedélretesz működtetése (ReteszFB) ........................................................................ 30

5.6

Hibakezelés (HibakezelésFB) ..................................................................................... 31

Programélesztés, tesztelés................................................................................................ 33 6.1

Merkeres tesztelés .................................................................................................... 33

6.2

Szimulátoros tesztelés ............................................................................................... 33

6.3

Éles tesztelés, a program „finomhangolása” ............................................................. 34

Továbblépési lehetőségek................................................................................................. 35

Irodalomjegyzék ....................................................................................................................... 36

3

Sajtos Dóra


1 Bevezetés Önálló laboratóriumi munkám során egy gyógyszeriparban alkalmazott centrifuga vezérlését kellett megvalósítanom, S7-1200 sorozatú PLC-vel. A feladatban szereplő harminc éves FERRUM ipari centrifuga működése egyre bizonytalanabbá vált. A vezérlése pneumatikus és elektro-pneumatikus elemekkel volt megoldva. Ám az évek során a használatban lévő pneumatikus logika teljesen elhasználódott, egyre labilisabban működött. Az egyre gyakrabban jelentkező hibák a berendezést veszélyessé tették. Mivel a berendezés oldószeres robbanásveszélyes gyártástechnológia egyik eleme, ezért elengedhetetlen a biztonságos és megbízható működés. A hiba elhárítása sok és tervezhetetlen időt vett igénybe, bizonytalanná vált a berendezés termelőképessége, miközben a javítás költségei megnövekedtek. A feladat megoldásához korszerű, megbízható mikroprocesszoros irányító berendezések között válogathatunk. [1] •

Programozásuk után nem változtatható, nem módosítható programú vezérlők, amelyek egyedi, vagy nagytömegű alkalmazásokhoz fejlesztettek ki.

•

Változtatható, módosítható programú vezérlők. Ide tartoznak mikroprocesszor alapú vezérlők, mikrokontrollerek és az ipari alkalmazásokban elterjedten alkalmazott programozható logikai vezérlők. Az angol elnevezésük szerint: Programmable Logic Controller (PLC). Szintén ide sorolhatjuk a PC bázisú irányító berendezések, amelyek a PLC-nél komolyabb számítási kapacitással, adatgyűjtési és ember-gép kapcsolati lehetőségekkel rendelkeznek (HMI-SCADA).

A vezérlési feladatot elemezve megállapítható, hogy a régi pneumatikus vezérlés kiváltása PLC-vel oldható meg legjobban. A PLC és fejlesztői környezetének kiválasztásánál felhasználói igény volt, hogy új típusú legyen, jó ár/teljesítménymutatókkal, valamint ipari Ethernet kapcsolattal is rendelkezzen. A fejlesztői környezettel kapcsolatos igény volt, hogy a hagyományos, relés vezérlések tervezéséhez használt áramútrajzhoz hasonló, a grafikus PLC programnyelvek csoportjába tartozó létradiagramos nyelvet támogasson. A programnyelv kiválasztása a felhasználó kérése volt. A létradiagramos PLC nyelven irt program működése könnyen lekövethető, a hibakeresés egyszerűbb, megértése nem igényel speciális programozási ismereteket az áramút-tervek olvasásában már jártas karbantartó elektromos szakembereknek.

4

Sajtos Dóra


1.1 A PLC általánosságban A PLC (Programmable Logic Controller, magyarul: programozható logikai vezérlő) az ipari irányítástechnikában, a villamos, vagy villamosan működtetett folyamatok irányításában használt berendezés. A PLC legfontosabb tulajdonsága, hogy valamilyen magasabb szintű programozási nyelven programozható. A PLC programnyelveket az IEC 1131 szabvány írja le az alábbi csoportosításban: Szöveges rendszerű nyelvek: •

Strukturált programnyelv (ST)

•

Utasításlistás programnyelv (IL)

Grafikus rendszerű nyelvek: •

Létradiagram (LD)

•

Funkcióblokk (FB)

•

Sorrendi folyamatábra (SFC)

•

Sorrendi gráf (GRAPH)

•

Sorrendi és aszinkron gráf (HIGRAPH)

Egy magas szintű PC-s programozási nyelv ma jellemzően objektum orientált (OOP), ahol a programok lefutása jellemzően eseményekhez (events) van kötve. A PLC programok jellemzően (mert kivétel itt is van) teljesen szekvenciális lefutásúak, a futásnak ráadásul szintideje van, amit ha a kód nem tud teljesíteni, akkor a PLC leáll. A szintidő, vagy más néven megengedett maximális ciklusidő miatt az OOP-ben megszokott eseményvezéreltségről nem beszélhetünk. Viszont eseményvezérelt megszakítások kezelése természetesen lehetséges, de ezeket is meglehetősen egyedileg és hozzáértéssel, körültekintéssel lehet alkalmazni. [2] Valójában a PLC főciklusában leprogramozott állapotgép is eseményvezérelt kód. A PLC-kre megírt hasonló alkalmazások előnye, hogy a klasszikus vezérlésekben használt hazárdmentesítési fogások gyakorlatilag elhagyhatóak a program ciklikusság miatt. A PLC gyakorlatilag minden vezérlésben és szabályozásban használt szabványos ipari jelhez közvetlenül illeszthető. Saját, belső operációs rendszerrel rendelkezik, ami felügyeli a belső perifériákat és a bővítő modulok működését, a kommunikációt, futtatja a felhasználó vezérlőprogramját, és valamilyen szinten kezeli a hibákat. [3]

5

Sajtos Dóra


Felépítésük alapján kétféle PLC-t szoktak megkülönböztetni: •

Kompakt A PLC tartalmazza a tápegységet, van be- és kimenete, kommunikációs csatlakozója. Általában valamilyen bővítési lehetőséggel is rendelkezik, ha a beépített ki és bemenetek száma vagy típusa nem lenne elég. Egy gyártónál is rendszerint sokféle altípusa létezik különböző I/O számmal és fajtával. Kisebb feladatokra használják, ahol kicsi az I/O igény.

•

Moduláris A komplett PLC részegységekből, modulokból építhető fel. Van egy központi egység, ami lényegében maga a vezérlő. Ehhez lehet különböző tápegységeket, ki és bemeneteket tartalmazó modulokat választani, amelyek egymáshoz csatlakoztatva adják a kész konfigurációt. Ezzel a megoldással a PLC skálázható az adott feladatra. A közepes és nagyobb teljesítményű PLC-kre jellemző ez a kialakítás, elsősorban ipari alkalmazások megvalósítására használják.

1.2 PLC történelem A villamos vezérlő berendezéseket korábban döntően relékkel, diódákkal, tranzisztorokkal, TTL, azaz elektromechanikus vagy elektronikus elemekkel építették fel amelyeket az adott irányítási feladatnak megfelelően egyedi fejlesztés eredményeként "huzalozással" kapcsoltak egymáshoz. Az első PLC-k a huzalozott relés vezérlések kiváltására készültek. A szabadon programozható logikai vezérlőberendezések ugyanis alkalmasak arra, hogy igény esetén áramköri átalakítás nélkül is, csupán rövid ideig tartó újra programozással a korábbitól eltérő technológia vagy gépi berendezés korszerű rugalmas irányítását megvalósítsák. [4] 1968-ban a General Motors cég pályázatot hirdetett olyan programozható vezérlő berendezés fejlesztésére, amely ötvözi a relés, a félvezetős és a számítógépes vezérlés előnyeit. [5] A pályázat specifikációjában az alábbi szempontok szerepeltek: •

Egyszerű, moduláris felépítés, kis méret

•

Mozgó alkatrészt ne tartalmazzon

•

Galvanikusan leválasztott bemeneti/kimeneti fokozatok (24 Vdc-tól 240Vac)

•

Könnyű programozhatóság és újraprogramozás;

•

Valós idejű működés max. 0,1 s válaszidővel;

•

Nagy megbízhatóság, minimális karbantartás; 6

Sajtos Dóra •

Ipari centrifuga vezérlése S7 1200 sorozatú PLC-vel Versenyképes ár.

„A berendezés kifejlesztését az ugrásszerűen fejlődő félvezető technológiák tették lehetővé. A nyertes megoldást a Bedford-beli (Massachusetts) Associates of Bedford szállította le. Az első PLC-t Richard Morley (Modicon) és Odo J. Struger (Allen Bradley) építette meg "Modicon 084" néven 1969-ben. Morley elvetette, hogy a berendezést "computer" névvel illessék, mert a készüléket inkább elektrotechnikai szakembereknek szánta, akiket elriasztott volna (az akkoriban) rendkívül tudományos computer szócska, így inkább a vezérlőnél (en: controller) állapodtak meg. Az akkori vezérlőktől – a GM elvárásoknak megfelelően kifejlesztett - letölthető létra (en: ladder logic - LAD, de: Kontaktplan - KOP) program különböztette meg, mely nyelvszerűség az áramútrajzok logikáját tükrözte. A controller így kiegészült a programable logic jelzővel, így összeállt a PLC szókapcsolat.” [2]

1. ábra MODICON 084 PLC és a konstruktőrei

7

Sajtos Dóra


2 Az irányított technológia bemutatása Önálló laboratóriumi munkám során egy gyógyszeriparban alkalmazott centrifuga vezérlését kellett megvalósítanom, S7-1200 sorozatú PLC-vel. A feladat ismertetéséhez elengedhetetlen egy rövid áttekintés a gyógyszeripari technológia, vegyipari gépek és berendezések területéről. Az anyag centrifugálása fontos technológiai lépése a kodein előállításának. A kodein a morfin metilezett származéka, a morfinhoz hasonlóan a fájdalomküszöböt emeli, csökkenti a köhögés- és a légzésközpont ingerlékenységét. Hatását jelentős részben úgy fejti ki, hogy a szervezetben demetilálódik, így 5-15%-a – egyéntől függően – morfinná alakul, így hat a központi idegrendszerre. [6] Az irányított technológia bemutatásához néhány fogalom meghatározása szükséges: A centrifuga egy olyan berendezés, amely szuszpenziók és emulziók alkotóelemeinek szétbontására szolgál. A 2. ábra egy FERRUM ipari centrifuga látható.

2. ábra FERRUM ipari centrifuga

A centrifugálás célja az alapanyag nedvességének csökkentése. Mivel a centrifugával éghető (tűz- és robbanásveszélyes) anyagot dolgoznak fel, a centrifugálás megkezdése után – rövid

8

Sajtos Dóra


időn belül – robbanóképes oldószergőz-levegő keverék alakul ki a belsejében. Ha a gőz és az oxigén koncentrációja egy bizonyos értékű, valamint ha a hőmérséklet és a gyújtóforrás energiája egy bizonyos érték feletti, fennáll a robbanás veszélye. Ennek elkerülése érdekében a centrifuga belsejében az oxigén koncentrációt annyira le kell csökkenteni, hogy ne alakuljon ki robbanóképes keverék. A robbanás elleni védelmet az inertizálás szolgálja.

2.1 Az inertizálás szabályai (MI-09-96305-85 műszaki irányelvek alapján) Az inertizálás célja a robbanóképes gázelegyek képződésének elkerülése. Az inertizálás olyan művelet, amely során valamely inert gáz (általában nitrogén) bevezetésével a védett térben (a centrifuga belsejében) az oxigén koncentráció annyira lecsökken, hogy robbanóképes keverék nem alakulhat ki. 2.1.1 Öblítés Inert gázzal történő elárasztáskor először a centrifuga belsejében le kell csökkenteni az oxigén koncentrációt a szükséges mértékre. Az inert gázzal kiszorított levegőt a szabadba vezetik el. Ezt a folyamatot öblítésnek vagy kiszorításnak nevezik. Az öblítést kiszorításos módszerrel, az inert gáz áramoltatásával végzik. Az inert gázt célszerű viszonylag nagy sebességgel bevezetni, mert így az erős turbulencia következtében alapos átkeveredést, közelítően ideális keveréket lehet elérni. 2.1.2 Megtartási szakasz Az utána következő megtartási szakaszban az oxigén koncentrációt megfelelő határok között kell tartani. A centrifuga forgatásakor a ventilációs hatás következtében a fedélnél nyomáscsökkenés, szívás észlelhető, amely a fordulatszám és a dobátmérő függvénye is. Ezért szükséges a centrifuga belsejében kismértékű túlnyomást tartani. A tapasztalatok szerint a túlnyomás biztonságos alsó határa kb. 0,8 kPa, a felső határa 1,25 kPa. Ilyen módon lehet megakadályozni a külső levegő beáramlását. A tömítésen keresztüli kiszivárgás pótlására nitrogént kell beadni a rendszerbe. A szivárgó gázmennyiség erősen függ a tömítések állapotától, emiatt nagyon fontos a tömítések különös gonddal végzett, rendszeres karbantartása. Az inert gázzal történő elárasztás szabályozásának alapja a rendszer nyomásának mérése. A kezdeti öblítés, kiszorítás alatt a ház kiszellőző vezetéke nyitva, a normális üzem alatt zárva van. A szivárgás pótlására bevezetett inert gáz áramát nyomásszabályozó szabályozza, állandó értéken tartva az üzemi nyomást. A nitrogénáramot úgy kell beállítani, hogy a normális üzem alatt a centrifuga belsejében az O2 koncentráció 2-5 térfogatszázalék (tf%) között legyen. 8 tf% biztonsági érték felett nem

9

Sajtos Dóra


szabad üzemelteti a centrifugát, mert könnyen előfordulhat, hogy a gép belsejében helyi koncentráció-különbségek miatt kialakulhat robbanóképes keverék. A centrifuga csak akkor lehet üzemben, ha elegendő mennyiségű inert gáz (N2) áll rendelkezésre. Biztosítani kell, hogy a centrifuga belsejében a nyomás ne lépje túl a megengedett 4 kPa-t, ezért célszerű az esetleges túlnyomás levezetésére biztonsági szelepet alkalmazni. Az inert rendszer bármilyen zavara esetén vészjelet kell adni és megfelelő késleltetéssel le kell állítni a centrifugát. Szükséges fogalom meghatározások: Öblítés (Kiszorítás): Az inertizálás első szakasza, amely alatt az oxigén-koncentráció lecsökken a kívánt mértékre, és a kiszorított levegő a szabadba távozik (kiszellőzés). Megtartási szakasz: Az öblítés után következő szakasz, amely alatt az oxigén koncentrációját megfelelő határok között tartják. Öblítési idő: A kívánt megengedhető oxigén-koncentráció eléréséhez szükséges idő. Relaxációs idő: Az öblítés gyorsaságára jellemző érték. Az az idő, amely alatt az oxigénkoncentráció a kiindulási érték 1/e=0,368-szorosára lecsökken. A relaxációs idő elméleti értéke úgy kapható meg, hogy az öblítendő tér térfogatát osztani kell az öblítő gáz térfogatáramával. Minimális gyújtási energia (mJ): A robbanóképes (gyúlékony) keverék meggyújtásához szükséges energia legkisebb értéke, a leggyúlékonyabb keverék összetételénél. Robbanási (éghetőségi) határok (tf%): Az éghető anyag alsó és felső robbanási határérték koncentrációi a levegőben, amely koncentrációk közötti tartományban (robbanási tartományban) a keverék robbanóképes. Flegmatizáló vagy kritikus pont: Az a pont, amelynél a felső és az alsó robbanási (éghetőségi) határok egybeesnek, azaz a robbanási (éghetőségi) tartomány egy pontba sűrűsödik. Kritikus O2-koncentráció: A flegmatizáló ponthoz tartozó minimális O2 tartalom, amelynél kevesebb esetén bármely keverék összetétel a robbanási tartományon kívül van, és nem jön létre robbanóképes keverék.

10

Sajtos Dóra


2.2 Folyamat és műszerezés

3. ábra Folyamat műszerezés

A berendezés tervezésének első lépése a folyamat és műszerezési ábra (P&ID) megrajzolása. Az ábra alapján a vezérlés be és kimeneti igényeit felmérhetjük, gyakorlatilag feladathoz szükséges PLC konfigurációt is. Jelen esetben a műszerezésnél és telepítésénél szigorúan figyelembe kell venni, hogy a berendezés egy robbanásveszélyes technológia része. A berendezés, a műszerezés és a vezérlés több helységben foglal helyet. A fugatest és egy robbanás biztos (Ex-s) kezelői felület a veszélyes térben kerül elhelyezésre. Az erősáramú kiszolgáló egységek, és maga a PLC, a veszélymentes zónába kerül (elektromos elosztó és műszerszoba). A robbanásveszélyes térbe csak megfelelő Ex védelemmel ellátott egységek kerülhetnek. Ezek kiválasztása külön tudomány. Ex-es műszerezést, tervezést és szerelést csak Ex-s szakvizsgával rendelkező személy végezhet. A robbanásveszélyes berendezéseknél általában alkalmazott védelmi módok [7]: Védelmi mód

Jel:

Olaj alatti védelem

Ex o

Túlnyomásos védelem

Ex p

Kvarchomok

Ex q

Nyomásálló tokozat

Ex d

Fokozott biztonság

Ex e

Gyújtószikramentes

Ex i 11

Sajtos Dóra

Ipari centrifuga vezérlése S7 1200 sorozatú PLC-vel Kiöntés

Ex m

"n" védelmi mód (2-es Zóna)

Ex n

1. táblázat: Védelmi módok

A berendezés nyomógombjai érzékelői Ex i gyújtószikramentes kontaktus leválasztón keresztül kapcsolódnak a PLC-hez. A motor és a kürt nyomásálló tokozású. (Ex d) A kábelátvezetések a zónák között Ex q kvarchomok alatti Ex d tömszelencékkel. A jelzőlámpák: STAHL gyártmányúak, LED-es kivitelűek, és Ex m védettségűek.

3 Az irányítórendszer felépítése

4. ábra: Konfiguráció

3.1 Az S7-1200 PLC család Az S7-1200 programozható logikai vezérlő család változatos automatizálási feladatok megoldására alkalmas. A Siemens S7 300-as sorozatnál és más PLC gyártók termékeinél is jóval kedvezőbb áron beszerezhető. Az alábbi táblázat a CPU-k tulajdonságait foglalja össze. Jellemző Méret (mm) Felhasználói memória: Munka memória Program memória Nem felejtő memória Beépített I/O Digitális Analóg

CPU1211C CPU1212C 90x100x75

CPU1214C 110x100x75

25 KByte 1 Mbyte 2 KByte

50KByte 2 Mbyte 2 KByte

6 be/4 kimenet 2 bemenet



2. táblázat: S7-1200 PLC család tagjainak jellemző

12

Sajtos Dóra


3.1.1 A központi egység: 1212C CPU A fenti táblázat alapján feladat megvalósításához a legoptimálisabb az S7 1200-as család 1212C CPU modellje. A központi egység 25 Kbyte munkamemóriával, 1 Mbyte program memóriával és 2Kbyte nem felejtő memóriával rendelkezik. A feladat megoldásához nincs szükség ennél nagyobb felhasználói memóriára, így szükségtelen lenne egy drágább és nagyobb memóriával rendelkező CPU választása. Ez alapján a 1211C típus is szóba jöhet, de mivel a be- és kimenetek száma nem lenne elegendő – és ez a típus pedig SM modulokkal nem bővíthető – így a választás a programozási kondícióiban azonos, de bővítési lehetőségekkel már rendelkező 1212C modellre esett.

5. ábra CPU 1212C

13

Sajtos Dóra


3.2 Bővítő modulok A feladat megvalósításához nem elegendő a 1212C PLC be- és kimeneteinek száma. Ennek növelése érdekében lehetőségünk van bővítő modulok csatlakoztatására. A I/O kiosztásánál általános elv, hogy amennyiben megoldható, az azonos jellegű elemek, mint például kapcsolók, nyomógombok, mikrokapcsolók, érzékelők, (induktív, kapacitív optikai stb.) a kimeneteknél a lámpák, relék, mágneskapcsolók, szelepek mágnestekercsei, motorindítások egymás mellé kerüljenek, lehetőleg nyolcas csoportokba. A jelenlegi I/O kiosztásban ez majdnem teljesül. (A nyugtázó gomb utólag került bele és jobb lett volna, ha helyet cserél a %I0.4-en lévő préslevegő nyomáskapcsolóval.) A kimeneteknél a pneumatikus működtetésű elemek (fedélretesz, öblítő szelep, inert szabályozás szelep, hibakürt) a 8 relés modulra kerültek. Másik szempont volt, hogy a meglévő és az üzemben általában használt mágnes szelepek) túl nagy áramot vesznek fel ahhoz, hogy ne a 0,5A terhelhetőségű félvezetős kimeneti kártyát használjuk.

6. ábra: Bővítő modulok SM1221 24VDC és SM1222 RLY

14

Sajtos Dóra


4 A fejlesztői környezet 4.1 TIA-Portal A TIA-Portal V10.5 (TIA – Totally Integrated Automation) a SIEMENS integrált 2010-ben megjelent fejlesztői környezete, amely mára már V11-ként egységes platformot teremt, és közös szolgáltatásokat nyújt minden automatizálási feladathoz, nevezetesen PLC-k, elosztott I/O-rendszerek, ember–gép kapcsolati készülékek és SCADA-rendszerek programozásához, frekvenciaváltók paraméterezéséhez. A TIA-Portal új, V11-jelű verziója a mérnöki munkát még gyorsabbá és komfortosabbá teszi, konzisztens megoldásaival leegyszerűsödik a folyamatban lévő műveletek diagnosztikája, könnyebbé válik a későbbi módosítás, bővítés. A TIA-Portal V11 bevezetésével párhuzamosan több, a koncepcióhoz illeszkedő új hardvereszköz is megjelenik a kínálatban. [8] A feladat megoldásához elegendő volt a STEP7 Basic V11-et használni. A 7. ábra a V11 adta lehetőségeket mutatja.

7. ábra

15

Sajtos Dóra


4.2 Kiindulási „Project view” képernyő:

8. ábra: Project nézet

A Project nézet valójában a Step7 Simatic Managerének funkcióit kapta. A feladat-orientált felépítésével és menüjének egyszerűségével segíti a gyors munkakezdést. A hardver konfigurálás, a programozás, az online diagnosztika könnyen elérhető.

4.3 „Overview” képernyő A képernyőn rendezetten látható a kiválasztott projekt minden alkotóeleme. A 9. ábra példa a tervezési képernyő alkotóelmeire.

9. ábra: Áttekintés nézet

16

Sajtos Dóra

4.4


Munkaterület 1

6

2 8 3

1

4

5

7 1 9

1. Címsor 2. Menüsor 3. Funkciómező 4. Tervfelépítési mező

5. Munkaterület 6. Egyéb lehetőségek 7. Részletek 8. Felügyeletablak

9. Váltás kiindulási képernyőre 10. Részfeladatok felsorolása 11. Státusz sor

10. ábra: Munkaterületek

4.4.1 A munkaterület funkciói A megnyitott objektumok megjelennek a munkaterületen. Ezek lehetnek szerkesztésre váró programok, táblázatok, képernyőnézetek. Egyszerre több objektum is nyitva lehet, bár ezek közül csak egy látszik a munkaterületen. A nyitott objektumok nevei megjelennek az objektumok felsorolása című mezőben. Ha szükséges, a munkaterület megosztható horizontálisan vagy vertikálisan. Ilyenkor párhuzamosan két objektum szerkeszthető.

17

Sajtos Dóra


5 PLC program A programot megvalósításához meg kellett vizsgálni, hogy az adott feladathoz mennyi inputra, mennyi outputra van szükség. A folyamatműszerezési fejezetben lévő P&I diagramból és egyéb szóbeli információkból összeszedve a projekt I/O kiosztása az alábbiak szerint alakult: Cím %I0.0 %I0.1 %I0.2 %I0.3 %I0.4 %I0.5 %I0.6 %I0.7 %I8.0 %I8.1 %I8.2 %I8.3 %I8.4 %Q0.0 %Q0.1 %Q0.2 %Q0.3 %Q0.4 %Q12.0 %Q12.1 %Q12.2 %Q12.3

Szimbólum INERTSTART FUGASTART STOPGOMB VESZKOROK LEVEGOK NITROK REZGÉSOK FEDÉLZARVA NYOMKAPL NYOMKAPH FRV_OK MOTORÁLL NYUGTAZGOMB NYUGTIMP HIBALAMP INERTLAMP FUGAÜZLAMP FUGAMOTOR FEDRETESZ ÖBLSZEL INSZABSZEL HIBAKÜRT

Megjegyzés Inert start nyomógomb Fuga start nyomógomb Stop nyomógomb Vészkör rendben Préslevegő nyomás rendben Nitrogén nyomása rendben Rezgésfigyelő érzékelő rendben A fedél bezárva érzékelő Nyomáskapcsoló L Nyomáskapcsoló H Fugamotor frekvenciaváltó rendben Motor megállását jelző érzékelő Nyugtáz nyomógomb Nyugtázás impulzus HIBA lámpa Inert lámpa Fugaüzem lámpa Fugamotor működtetés Fedélretesz kimenet Öblítő szelep (nagy keresztmetszet) Inert szabályozás szelep Hibajelző kürt

3. táblázat: Input, output kiosztás

Részfeladatokat önálló programmodulként, vagy más néven funkcióblokként (FB) kellett kezelni. Ezek a modulok az alábbiak: •

Biztonsági jelek előállítása (SafetyFB)

•

A berendezés inertizálása (InertFB )

•

Az inert nyomás tartása (NyomásVezFB)

•

Fugamotor működtetése (FugaInditFB)

•

Fedélretesz működtetése (ReteszFB)

•

Hibakezelés (HibakezelésFB)

A program (Main OB1) főciklusában így csak 5 network van. Ezáltal a program egyszerűbb és áttekinthetőbb lett. 18

Sajtos Dóra


5.1 Biztonsági jelek előállítása (SafetyFB) Ahhoz, hogy a centrifuga működése a megfeleljen a biztonságtechnikai előírásoknak, elő kell állítani az ehhez szükséges biztonsági jeleket.

11. ábra: SafetyFB funkcióblokk

A 11. ábraán látható, hogy a SafetyFB funkcióblokknak nincsenek bemenetei. Feladata a program többi blokkja számára fontos kétállapotú jelek előállítása. Ezek a rendszer biztonsági feltételi és a formált hibajelzések: •

Rezgéshiba

•

Tartós nitrogénnyomás hiba

•

Vészáramkör nincs rendben

5.1.1 Biztonsági feltételek Ahhoz, hogy a rendszer biztonságosságáról nyilatkozni tudjuk, figyelnünk kell a vészáramkört, hogy nem lett-e benyomva valamelyik vészkapcsoló. Meg kell győződnünk arról, hogy elegendő a préslevegő, illetve elegendő nitrogén áll rendelkezésre. Ellenőriznünk kell a rezgésérzékelőt is, amely a centrifuga kiegyensúlyozatlanságából adódó rezgéseket figyeli. A fugamotor frekvenciaváltója is ad jelet saját állapotáról a PLC-nek. Ha mindez rendben van, akkor a biztonsági feltételek teljesülnek. Ekkor az 12. ábraán látható #SaFelt = 1 értékével jelzi.

19

Sajtos Dóra


Az esetleges hibákat a nyugtázó gomb megnyomásával tudomásul vehetjük, ekkor a #SafeNyugStat változó 1 értéket kap. Ha megnyomtuk a nyugtázó gombot, és a vészáramkör nincs rendben, a #VészINIC kimeneten megjelenik egy 1 sec-es impulzus, amely a biztonsági áramkör újraélesítéséhez szükséges. A rendszer biztonságos (#Safety=1) ha a biztonsági feltételek teljesülnek, és (az esetleges előző) hibákat nyugtáztuk. Azonban ha nem teljesülnek a feltételek, a rendszer nem biztonságos (#Safety=0) Rezgéshiba akkor áll fenn, ha a centrifuga rezgése nagyobb, mint a beállított határérték. A rezgéshiba azonban – kezelői felelősséggel – törölhető, majd a FUGA START nyomógombbal újraindítható. Érdemes megjegyezni, hogy a RezgHibaStat egy Reset prioritású flip-flop, annak ellenére, hogy hibajelzés. Általános elv, hogy a hibajelző változóknak Set prioritásúnak kell lennie, azért hogy a nyugtázó gombbal ne lehessen törölni a hibát. Ebben az esetben a megrendelő külön kérésére volt ennek az elvnek mellőzése a RezgHibaStat változónál. A centrifuga terhelésénél előfordul, hogy a benne lévő anyag nem egyenletesen oszlik el, ezért a dob felgyorsításánál a rezgésérzékelő jelez, és a dob leáll. Ennek ellenére meg kell hagyni a kezelőnek azt a lehetőséget, hogy a nyugtázó gomb folyamatos nyomva tartásával nullázni tudja a rezgéshibát.

12. ábra: Biztonsági feltételek kezelése

20

Sajtos Dóra


5.1.2 Fugatér túlnyomás figyelése üzenet Ha vagy az öblítés megy, vagy az inertizálás megtörtént, és nincs megfelelő belső túlnyomás a fugatérben több mint 10 s-ig, vagy egyáltalán nincs nitrogén a csőhálózatban, akkor él az üzenet. Ha nincs a fenti hiba, akkor a kezelő a nyugtázó gombbal tudja törölni az #NitrÜzenet változót, vagy #NitrÜzenet magától törlődik, ha helyreállt a nitrogénnyomás a fugában. A rendszer továbbfejlesztésénél fontos szempont az üzenetek és hibaüzenetek összegyűjtése, naplózása. Ha a vezérlés későbbiekben kibővül egy HMI felülettel, akkor ezeket a hasznos információkat a gépkezelői beavatkozásokkal együtt lehet majd naplózni. (a HMI és SCADA rendszerek Alarm és Event Log-jai)

13. ábra: Fugatér túlnyomás figyelése üzenet

5.1.3 Fugatér túlnyomás figyelése Tartós nitrogénnyomás hiba áll fent akkor, ha legalább 1 percig nincs rendben a nitrogénnyomás, vagy alacsony a nyomás annak ellenére, hogy az öblítőszelep nyitva van (éppen tart az inertizálás), vagy az inertizálás készen van. A tartós nitrogénnyomás hiba a NYUGTÁZÓ GOMB megnyomásával törlődik, amennyiben a hiba feltételei már nem állnak fent. Ennek megvalósítását mutatja a 14. ábra.

21

Sajtos Dóra


14. ábra: Fugatér túlnyomás figyelése

22

Sajtos Dóra


5.2 A berendezés inertizálása (InertFB) Cél a robbanóképes gázelegyek képződésének elkerülése. Az inert atmoszférát nitrogén gáz bevezetésével hozzuk létre, ezzel a fuga légtérében az oxigén koncentrációját az adott gyúlékony anyagra jellemző oxigén-határkoncentráció alá csökkentjük. A 15. ábra a funkcióblokk megvalósítása látható.

15. ábra: A berendezés inertizálása

Az inertizálás az INERTIZÁLÁS BE nyomógombbal indítható. Ekkor a fedél retesz hengere bezár, az inertizálás öblítő szelepe kinyit. Megkezdődik az öblítés, aminek időtartama 10 perc (#Inertidő). Ez alatt az idő alatt az inertizálás lámpa végig lassú (1 Hz) ütemben villog. Az öblítési idő letelte után pedig folyamatosan világít. Az inertizálás leállításához minimum 5 másodpercig folyamatosan nyomva kell tartani a LEÁLLÍTÁS nyomógombot, ennek megvalósítását mutatja a 16. ábra. Az inertizálás leáll tartós nitrogénnyomás hiba esetén, illetve ha a fedél nincs lezárva.

23

Sajtos Dóra


16. ábra: Inertizálás kigomb

Az inertizálást letiltja a feltöltési időhiba (erről részletesebben a 5.3.2 fejezetben olvashatunk) a vészkör nincs rendben, és a ha legalább 1 percig nem megfelelő nitrogénnyomás. Ennek megvalósítását mutatja a 17. ábra.

17. ábra: Inertizálás tiltása

Megrendelői kérésre az öblítő szelep az Inertizál jelző bit után 1 másodperccel később nyit, ahogyan a megvalósítás a 18. ábra is látható.

24

Sajtos Dóra


18. ábra: Öblítőszelep működtetése

25

Sajtos Dóra


5.3 Az inert nyomás tartása (NyomásVezFB) Az öblítés befejezése után centrifuga működése közben kismértékű túlnyomást kell tartani fuga belsejében. Ilyen módon lehet megakadályozni a külső levegő beáramlását. A NyomásVezFB funkcióblokk feladata a nitrogénnyomás megfelelő szinten tartása.

19. ábra: NyomásVezFB funkcióblokk

5.3.1 Túlnyomás tartása Az öblítést követően centrifugatér nyomását 8 és 14 mBar között kell tartani. Ezek a nyomásszintek megfelelnek a 20. ábra látható #NyomásL és #NyomásH szinteknek. Ha a nyomás 8 mBar alá esik, akkor kinyit a tartó szelep, a centrifugatérbe nitrogént juttatva. Ha a centrifugatér nyomása eléri a 14 mBart, akkor a szelep lezár. A túlnyomás szabályzása jelenleg két nyomáskapcsoló hiszterézis kapcsolása adja. Viszont ez a megoldás elképzelhető, hogy a berendezés üzemi próbájának eredményeképpen nem lesz elegendő. Ezért ez a network még továbbfejlesztésre vár. Amire lehet számítani, hogy a #Szabszelep jele formálásra szorul. Elképzelhető, hogy a nyomástartás nem lesz elég hatásos, ezért a szelep sokszor fog kapcsolni. A kapcsolások számának csökkentésére egy meghúzás/elengedés késleltetéses jelformálás szükséges lehet. Jelenleg az #Enged és a #Megy logikai kapcsolata is egy jelmásolás, de mégis SR FF-al van megoldva, mert ha kell, akkor a network tovább írható a felmerülő igényeknek megfelelően.

26

Sajtos Dóra


20. ábra: Inertnyomás tartása

5.3.2 Feltöltési hiba figyelése Feltöltési hiba akkor következik be, ha a szabályzószelep nyitott állása mellett 1 perces #Hibaidőn belül nem sikerült elérni a 14 mbar-os nyomás szintet. Ez túl nagy szivárgás esetén állhat fent. Megvalósítása az alábbi ábrán látható:

21. ábra: Feltöltési hiba figyelése

27

Sajtos Dóra


5.4 Fugamotor működtetése (FugaInditFB) A centrifuga dobját egy 5,5kW-os háromfázisú, Ex kivitelű aszinkronmotor hajtja. A fordulatszámának állítása frekvenciaváltóval történik. A fordulatszámot egy Ex kivitelű potenciométerrel állíthatjuk. A frekvenciaváltó START bemenetének jelét a PLC.től kapja, a Vészleállító jelet a vészáramkörtől. A PLC-nek a motor forog (RUN) jelet ad vissza. A frekvenciaváltó a motor termisztorának jelét is fogadja. Ennek a funkcióblokknak feladata a centrifugát működtető motor és a fuga üzemelését jelző lámpa működtetése. A fugamotor a fedélretesz zárt állapota mellett, biztonságos rendszer esetén indítható. Ehhez nélkülözhetetlen a nitrogénnyomás megfelelő értéken tartása, valamint figyelembe kell vennünk a rezgésfigyelő érzékelő állapotát is.

22. ábra: FugaInditFB funkcióblokk

28

Sajtos Dóra


A fuga elindításához meg kell nyomni a FUGA START nyomógombot, amelyet az 23. ábra a #Begomb szimbólum jelöl. A motor öntartó működéséhez – annak érdekében, hogy a ne kelljen folyamatosan nyomva tartani a gombot – egy feltételes öntartást is kell csinálni.

23. ábra: Fugamotor működtetése

A funkcióblokk tartalmazza még a Fuga üzemel lámpa vezérlését is. A centrifuga üzemelése alatt a lámpa folyamatosan világít, a fuga rendellenes rezgése esetén pedig gyorsan (5 Hz) villog. A leállítás nyomógomb megnyomásával a lámpa lassú, 1 Hz-es ütemben villogni kezd addig, amíg a motor teljesen meg nem áll. Ha a centrifuga leállt, a lámpa kialszik. A lámpa vezérlésének megvalósítása a 24. ábra látható.

24. ábra: Fuga üzemel lámpa vezérlése

29

Sajtos Dóra


5.5 Fedélretesz működtetése (ReteszFB) Az inertizálás megkezdésekor a fedélretesz automatikusan bezár, és mindaddig zárva marad, amíg az inertizálás és a centrifugamotor nincs leállítva. A retesz csak centrifuga forgásának teljes leállása után 5 másodperccel nyit ki.

25. ábra: ReteszFB funkcióblokk

26. ábra: ReteszFB funkcióblokk megvalósítása

30

Sajtos Dóra


5.6 Hibakezelés (HibakezelésFB) A hibakezelés nagyon lényeges része a vezérlésnek. Biztonságtechnikai előírás, hogy az inert rendszer bármilyen zavara esetén vészjelet kell adni és megfelelő késleltetéssel le kell állítani a centrifugát. A funkcióblokk a 27. ábra látható.

27. ábra HibaKezelésFB

A hibakezelés funkcióblokk feladata a vészjelek előállítása: hibalámpa illetve hibakürt vezérlése. A rendszer akkor működik hibátlanul, ha a biztonsági feltételek teljesülnek, a centrifuga rezgése nem rendellenes, a nitrogénnyomás szabályzása rendben működik, a fugatérben megfelelő a túlnyomás. Ha ezek a feltételek nem állnak fent, akkor van hiba. Ennek 0-ról 1értékre való változását jelzi #Lett_hiba változó. A hiba megszűnését a #Volthiba változó jelzi, amit nyugtázással törölhetünk. A nyugtázás a NYUGTÁZÓ GOMB megnyomásával történik, ez azonban csak akkor lehetséges, ha a hiba már nem áll fent. A hiba megjelenésével megszólal a hibakürt. A fennálló hiba a NYUGTÁZÓ GOMB megnyomásával elfogadható, ekkor a kürt elhallgat. Ellenkező esetben, 1 perc letelte után marad abba jelzés. 31

Sajtos Dóra


Ha rendszer nem biztonságos, de a biztonsági feltételek rendben vannak, a hibalámpa lassú villogással jelez, nyugtázásra vár. Amennyiben a feltételek nem teljesülnek, a hibalámpa folyamatosan világít. Ha a fedél nincs lezárva, a hibalámpa lassan villog. Rezgéshiba, szabályzási időhiba, reteszhiba esetén, valamint ha nincs megfelelő nitrogén túlnyomás a fugatérben, a hibalámpa gyorsan villog. Amennyiben a hiba már nem áll fent, de nem volt nyugtázva, a hibalámpa lassan villog. A hibák nyugtázása után a hibalámpa folyamatosan világít.

28. ábra: HibakezelésFB megvalósítása

29. ábra: HibakezelésFB megvalósítása

32

Sajtos Dóra


6 Programélesztés, tesztelés A rendszer vezérlőprogramjának tervezésekor törekedtem arra, hogy kihasználjam az S7 1200-as PLC létradiagramos programnyelvében meglévő saját funkciófüggvények (FC) és funkció blokkok (FB) írásának lehetőségét. Első próbálkozásnál a Safety FC-ben lett írva. De FB-ként a statikus változók jelenléte miatt nagyobb a programozó mozgástere. A programot úgy kellett felépítenem, hogy a megoldandó teljes feladatot fel kellett bontanom különálló részekre. Nem csak a programozási feladat (project) lett átláthatóbb, hanem a programtesztelés is egyszerűbb lett. Első lépésben a blokkon belüli programozási hibák vagy elírások megkeresése volt a cél. A vezérlőprogram tesztelése egy nagyon fontos tevékenység. A programunkat nem tölthetjük le ellenőrzés és tesztelés nélkül abba a PLC-be, amely már össze van kötve a berendezés érzékelő és beavatkozó elemeivel. A program élesztés és tesztelés lépései: •

Merkeres tesztelés, a programblokkok élesztése

•

Szimulátoros tesztelés

•

Éles tesztelés, a program „finomhangolása”

6.1 Merkeres tesztelés A blokkokat nem a saját környezetükben teszteltem először, hanem a merker területen ideiglenesen definiált bites, byte-os 16, 32 bites változókkal, valamint idő konstansokkal. Erre azért volt illetve van szükség, hogy elvi hibás, vagy egyszerűen csak elírt részeket javítani tudjam. A könnyebb és áttekinthetőbb tesztelés érdekében Force és Watch táblákat használtam, kifejezetten az adott funkcióblokk kipróbálására. Itt kell kijavítani az esetleges figyelmetlenségből vagy specifikálatlanságból adódó hibákat.

6.2 Szimulátoros tesztelés A szimulátoros tesztelés azt jelenti, hogy a PLC bemeneteire kapcsolókat kötünk, a kimeneteit pedig egy LED, vagy lámpasorra kapcsoljuk. A kapcsoló és a LED- sort célszerű az I/O kiosztásnak megfelelően feliratozni. Nagyon fontos az I/O pontok egyenkénti leellenőrzése.

33

Sajtos Dóra


Ebben a részben az FB-k már megkapják saját program környezetüket, változóikat. Az időtagok természetesen 4-6 másodperces értékeket kapnak a gyorsabb próba érdekében. A különböző lehetőségek számbavétele során az esetleges hibák szimulálása is itt történik. A kapcsolókkal olyan állapotokat is elő kell állítani, amely extrém helyzeteket szimulál. Ebben a programozási fázisban már gyógyszeripari előírás, hogy tesztelési jegyzőkönyv készüljön arról a programverzióról, amelyet le szeretnénk tölteni abba a PLC-be, amelynek I/O felülete a berendezés érzékelőivel és beavatkozóival össze van kötve, vagyis a vezérlést élesben viszi. A tesztelési szituációk elsősorban biztonságtechnikai szempontból történtek. Mint például a fugamotor azonnal leáll ha … vagy a fuga motor egy pillanatra sem indul el ha az engedélyező, vagy az inert és a rezgési feltételei nem adottak. Nagyon fontos, ha a berendezés elveszti az öblítettségét, vagy megadott idő után az inert túlnyomását, akkor a fuga motorja nem indulhat el. Másik nagyon fontos tesztelési terület a lámpajelzések és kürtjelek egyértelmű programozói szándék szerinti működése. Ezt a területet is hiba generálással vizsgálni kell.

6.3 Éles tesztelés, a program „finomhangolása” Első lépésben az I/O pontok helyes bekötését kell ellenőrizni. Itt az esetleges elkötéseket kell ellenőrizni. Mindenképpen össze kell vetni a bekötéseket a villamos tervekkel. Következő lépésben végig kell próbálni, meg kell ismételni a szimulátoros tesztelési eljárást éles körülmények mellett. Le kell ellenőrizni a szenzorokat, és az általuk szolgáltatott jeleket. Össze kell vetni a szenzorok működését azzal az elképzeléssel, ahogyan a program íródott. A programokban vannak olyan hibák, amelyekre a rendszer tervezője nem számít, minderre csak a helyszíni beüzemeléskor derül fény, ekkor még kis módosítással orvosolható az esetleges eltérés. A tesztelés folyamán a szimulátoros beállításokat át kell írni a technológiában, illetve a szabványban előírtakkal. Itt már a szimulátoros néhány másodperces időtagokat a végleges értékre kell állítani. Összességében tehát elmondható, hogy a feladat megvalósítása következtében elkészített PLC-s rendszer a berendezés megbízhatóságát megnöveli. A megírt alkalmazás a biztonságtechnikai előírások maximális figyelembevételével íródott, ezért a rendszer robbanásveszélyesség és munkavédelmi szempontból is biztonságosabb lesz.

34

Sajtos Dóra


7 Továbblépési lehetőségek A PLC-s vezérlésnek köszönhetően ez a rendszer a HMI területen kiegészíthető és tovább fejleszthető. Következő lépésben például egy érintőképernyős panellal, megjelenítést és esetlegesen adatgyűjtés területén lehet a rendszert továbbfejleszteni, amelyre a korszerű gyógyszeralapanyag és végtermék gyártástechnológiákban nemcsak igény, hanem követelmény is.

35

Sajtos Dóra


Irodalomjegyzék [1]

Vezérléstechnika alapjai, oktatási segédlet http://mai.kvk.uni-obuda.hu/documents/tantargy/2_L_Vezerlestechnika_kon_1.doc letöltve: 2013. május 7.

[2]

OB121 http://ob121.com/ letöltve: 2013. május 7.

[3]

PLC és Ipari Automatizálás http://szirty.uw.hu/ letöltve: 2013. március 8.

[4]

Bartha Lajos: Oktatási segédlet http://www.pollak.hu/static/sanyag/barta letöltve: 2013. március 8.

[5]

Hodossy László: Programozott vezérlések I. 2006

[6]

Wikipédia http://hu.wikipedia.org/wiki/Kodein letöltve: 2013. április 28.

[7]

Villanyszerelők Lapja http://www.villanyszaklap.hu/index.php?option=com_content&id=166 letöltve: 2013. május 18

[8]

Magyar Elektronika folyóirat http://www.magyarelektronika.hu/index.php?option=com_content&view=article&id=214:tiaportal&catid=34:tartalom letöltve: 2013. május 5.

[9]

SIMATIC S7-1200 Getting started with S71200 https://support.automation.siemens.com/WW/llisapi.dll/csfetch/39644875/s71200_g etting_started_en-US_enUS.pdf?func=cslib.csFetch&nodeid=39644882&forcedownload=true

[10] SIMATIC S7-1200 Programmable controller System manual https://support.automation.siemens.com/WW/llisapi.dll/csfetch/39644875/s71200_g etting_started_en-US_enUS.pdf?func=cslib.csFetch&nodeid=39644882&forcedownload=true

36

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamosmérnöki és Informatikai Kar Irányítástechnika és Informatikai Tanszék. Önálló laboratórium

Recommend Documents