Transfer inovácií 14/2009
2009
PLC A MOŽNOSTI JEJICH MÍSTO VE VZDĚLÁNÍ A VÝZKUMU PLC, THEIR CAPABILITIES AND PLACE IN EDUCATION AND RESEARCH Ing. Ivo Špička, Ph.D. Ing. Robert Frischer VŠB-TU Ostrava, FMMI, Katedra automatizace a počítačové techniky v metalurgii Ostrava-Poruba, 17.listopadu 15, 708 33
[email protected],
[email protected] Abstrakt Autoři si kladou za cíl vymezit využití PLC – programmable logic controllers v oblasti výuky programování řídících systémů prvků řídících systémů a navazujících předmětů. Dále hodláme uvést možnosti využití PLC v rámci vývoje a výzkumu řídících algoritmů pro technologie jinak obtížně využitelné pro přímé experimentování v provoze nebo poloprovoze. Ukážeme na možnosti spojení PLC s ostatními moderními simulačními a vizualizačními prostředky včetně využití virtualizace a tvorby simulátorů technologických zařízení. Klíčové slova PLC, řídicí systém, simulace, výuka, programování, virtualizace Abstract Authors want to allocate the usage area of PLC – Programmable Logic Controllers, in terms of education of programming controlling systems, elements of control systems and corresponding subjects. We are going to show possibilities of usage PLC in area of development and in control algorithm research especially for technologies that are very difficult to use for direct experiments in real plants. We would like to point to connection PLC with others modern simulation and visualization system including usage of virtualization and simulators of technological devices creation. Key words PLC, control system, simulation, education, programming, virtualization ÚVOD Výuka řídicích systémů je vedena více po teoretické stránce s velkým důrazem na teoretickou stránku řešení a na programový návrh řídicích algoritmů. Jsou požívány obecné programovací jazyky, které jsou sice vhodné pro syntézu úloh v oblasti řízení, nicméně nemohou pokrýt zcela jisté specifické vlastnosti programování moderních řídicích systémů, které jsou ve velké míře 74
zastoupeny programovatelnými automaty jak v úlohách sekvenčního řízení, tak i v úlohách regulačního charakteru. PLC VE VÝUCE Vytvořit podmínky pro následný vývoj vhodných didaktických nástrojů využitelných v širokém spektru předmětů, které zahrnují úlohy automatizace. Neustále se zvyšující podíl automatizace v průmyslu vede i ke stále širšímu využití programovatelných logických automatů (Programmable Logic Computers - PLC). Název PLC dnes již zdaleka nevystihuje možnosti této třídy automatizační techniky. Možnosti, které PLC poskytují, umožňují řešit nejen logické řízení, jak napovídá jejich název, ale v podstatě umožňují řešit téměř celou oblast nasazení automatizace, od logického řízení po složité regulace a řízení celých technologických celků. PLC slouží jak pro jednoduché autonomní řízení jednotlivých technologických uzlů, tak i pro vybudování složitých hierarchických systémů řízení, monitorování a sběru dat. Jinými slovy programovatelné automaty a vizualizační systémy jsou nejčastěji využívané prostředky v současné automatizační technice. Znalost PLC je pro studenty studijního programu Ekonomika a řízení průmyslových systémů systémy velmi potřebná. DOSAŽENÉ CÍLE Základním cílem bylo vybudovat na základě stávajících a plánovaných automatizačních systémech, moderní výukovou laboratoř vhodnou pro výuku programují řídicích systémů v obecném i užším slova smyslu, zejména s důrazem na využití logických programovatelných automatů a SCADA a HMI systémů. Studenti se mají možnost seznámit: • s technikou stránkou programovatelných automatů, • s metodikou analýzy řízení a syntézou řízení - tvorby programu, • s použitím standardizační normy pro programování PLC • s vizualizačními systémy pro tvorbu uživatelských rozhraní řízeného procesu. Ve spolupráci s českým zastoupením nadnárodní firmy Rockwell Automation, která
Transfer inovácií 14/2009
projevila zájem o spolupráci s naší Katedrou automatizace a počítačové techniky v metalurgii, jako garantem předmětů průmyslové automatizace na fakultě FMMI VŠB-TU Ostrava, jsme spolupracovali na výběru vhodných technických prostředků. Tato spolupráce se týkala dodávky programovatelných automatů v několika konfiguracích, konkrétně se jednalo o automaty Allen Bradley - ControlLogix v redundantní sestavě s průřezem nejdůležitějších vstupně výstupních karet a vybavené Ethernet IP a Device Net komunikací a dále sestavy šesti kusů PLC CompaktLogic, které umožní vytvoření i složitějších distribuovaných aplikací s PLC automaty a budou tvořit základ moderní učebny programovatelných automatů. Tyto automaty jsou vybaveny průmyslovými terminály PanelView. Součástí sestavy jsou i frekvenční měniče PowerFlex 40, které umožňují demonstrovat moderní řízení elektrických pohonů. Toto vybavení umožňuje využití i stávajících automatizačních prostředku katedry, zejména průmyslových regulátorů TECOREG a řídicích systémů TECOMAT, automatizačních prostředků fy. AMIT, vizualizačních nástrojů Control Panel fy. Moravské přístroje a. s. MOŽNOSTI SYSTÉMU Tyto prostředky umožňují směřovat výuku programování řídicích systému zejména do následujících oblastí: Programovatelné automaty, hardware, vstupněvýstupní signály. Programovatelné automaty, základy programování dle normy IEC 61 131-3, textové a grafické jazyky. Návrh a vývoj programového vybavení. Principy vykonávání programu, programování logických funkcí. Funkce, funkční bloky, práce s analogovými signály. Realizace regulačních algoritmů Syntéza: zápis řídicích algoritmů, formulace cílů řízení, algoritmizace řídicího problému. Modelování chování pomocí Petriho sítí a souvislost s jazyky typu GRAFTEK. Distribuované a hierarchické systémy: komunikační možnosti programovatelných automatů, průmyslové sběrnice. Vizualizační systémy pro řízení. Vazba programovatelných automatů s vyššími systémy řízení. Zásady návrhu dialogu obsluhy s počítačovým řídicím systémem. Struktura návrhu obrazovek. Komunikace mezi PC a PLC. Operátorské panely. Internetové technologie
2009
Obr. 1 Konfigurace CompaktLogix PLC UKÁZKOVÝ PROJEKT OVLÁDÁNÍ ASYNCHRONNÍHO ELEKTRICKÉHO MOTORU Tento projekt, který bude tvořit jeden z vyvíjených výukových modulů, využívá automatizační prostředky CompactLogix, PanelWiew, Point I/O a PowerFlex fy. Allen Bradley. Všechna zařízení podporují technologii EtherNet/IP tohoto výrobce, což umožňuje jednoduchou komunikaci přes rozhraní ethernet a běžně dostupný síťový kabel s konektory RJ45. Řídící systém CompactLogix svými parametry se hodí pro automatizaci menších až středně velkých aplikací (systémů). Jednotka CompactLogix 1769-L32E disponuje uživatelskou pamětí 750 kB, dvěma komunikačními kanály a možností připojení až šestnácti vstupních nebo výstupních lokálních modulů. Jeden komunikační kanál je zastoupen komunikačním portem RS232 druhý pak portem rozhraní Ethernet 10/100Mbps. Automat je vybaven dvěma jednotkami digitálních vstupů 1769-IQ16, dvěma jednotkami digitálních výstupů 1769-OB16 a analogovým modulem se čtyřmi vstupy a dvěma individuelně izolovanými výstupy 1769-IF4XOF2. Na obr.2. je kompletní pracoviště pro ovládání asynchronního elektrického motoru včetně zobrazovacího panelu a síťové infrastruktury, pomocí které systém komunikuje s okolím.
Obr. 2 Panel ovládání asynchronního elektrického motoru 75
Transfer inovácií 14/2009
PanelView tvoří řadu operátorských panelů s vylepšenou grafikou a rozšířenou animací. Obsahují v sobě operační systém Windows CE a software RSView Machine Edition. Komunikují se zařízeními od Rockwell Automation, a mimo to podporují panely ještě 25 typů komunikací pomocí OPC serveru od Keepware jež je součástí RSView Machine Edition. Panel je je osazen barevným aktivním TFT displejem s s analogovou odporovou dotykovou obrazovkou. PowerFlex je označení pro širokou škálu frekvenčních měničů Allen Bradley. Jednotka, kterou máme k dispozici, nese označení PowerFlex 40, čelní panel je osazen ovládacím panelem s LED displejem. Zařízení má v sobě zabudovanou ochranu motoru I2t. RSLogix 5000 je vývojové prostředí, které slouží k vytváření řídících programů nejen pro systémy Compact Logix společnosti Allen Bradley. V našem případě máme k dispozici softwarovou modifikaci RSLogix 5000 Professional/Network Edition V16.03.00 (CPR 9). Na obr. 3 je uveden operátorský panel se spuštěnou aplikací pro ovládání měniče a na obrázku je celková sestava použitého PLC sopečně s nutnými instalacemi jištění a napájecích zdrojů.
2009 •
Dynamické systémy jedno a vícerozměrné
SEKVENČNÍ SYSTÉMY Zařízením sekvenčního charakteru zde budeme rozumět jedno a dvousměrné pohony vybavené variantně koncovými a momentovými spínači, snímačem natočení nebo otáček včetně standardního silnoproudového ovládání a signalizace. Tyto moduly jsou tedy vybaveny: •
•
Vstupy modulu
-
Přepnutí ruční – automatické ovládání
-
Ruční ovládání otevírej a zavírej
-
Havarijní vypnutí
-
Ochranný stop – bezpečnostní čidlo pohybu nebo přítomnosti
-
Automatické ovládání otevírej a zavírej
Výstupy modulu
-
Systém pod napětím
-
Tepelná ochrana
-
Ruční ovládání
-
Havarijní vypnutí
-
Stop
DYNAMICKÉ SYSTÉMY
Obr. 3. Operátorský panel VÝVOJ ŘÍDÍCÍCH ALGORITMŮ Použité sestavy PLC, průmyslových regulátorů, OPC serverů a SCADA a HMI systémů umožňují vytvářet modely reálných technologií na jedné straně a celé struktury řídícího a monitorovacího systému na straně druhé. V rámci PLC jsou vytvořeny funkční bloky, které simulují chod základních technologických uzlů, které můžeme v principu rozdělit na dvě skupiny: •
76
Zařízení se sekvenčním řízením
Pro dynamické systémy se setrvačnostmi, například tepelné soustavy, nádrže, části manipulátorů jsme odzkoušeli modelování těchto zařízení v sytému MATLAB – SIMULINK, který se nám jeví jako nejvhodnější nástroj pro simulaci dynamických systémů. Vlastní propojení s PLC systémy je uskutečněno pomocí příslušného OPC serveru, která s automatem komunikuje pomocí firemního protokolu a s MATLABEM komunikuje pomocí DDE spojení. Jedinou komplikací je v tomto případě nutnost definice komunikačního rozhraní hned na třech místech – v PLC systému, v OPC serveru, kde je uveden odkaz na fyzické proměnné v PLC a v MATLABU, kde je nutno nakonfigurovat moduly pro komunikaci s OPC serverem. Na obr. 4 uvádíme blokový schéma v SIMULINKu pro komunikace s OPC serverem.
Transfer inovácií 14/2009
2009
Obr. 4 Propojení soustavy s OPC serverem
Tento model složil pro testování funkčnosti standardního PID regulátoru v systému TECOMAT, kdy v prostředí MATLABU byla prováděna průběžná identifikace dynamické
soustavy druhého řádu včetně zavedení poruch na vstup regulované soustavy. Na obrázku 5 vidíme přechodové charakteristiky originální a identifikované soustavy.
Obr. 5 Originální a identifikovaná přechodová charakteristika soustavy 2. řádu
77
Transfer inovácií 14/2009
VIRTUALIZACE A JEJÍ V OBLASTI SIMULACÍ
2009
MOŽNOSTI
V současné době s příchodem výkonných vícejádrových procesorů v osobních počítačích a dostupností vysokokapacitních dynamických pamětí s kapacitou 4 – 8 GB není problém na těchto stanicích spustit virtuální stroje. Virtuální stroj se chová jako autonomní, od hostitelského prostředí oddělený počítač vybavený vlastním virtuální hardwarem. K dispozici je několik produktů: VirtualPC od Microsoftu, VirtualBox od fy. Sun, VMware od stejnojmenné firmy, Paraless server a workstation a některé další. Každý ze jmenovaných systémů má jiné výhody a jiné nedostatky, základní výhodou je pak možnost spuštění více virtuálních systémů na jednom počítači včetně jejich síťového propojení, což umožňuje pohodlně testovat i distribuované systémy od jednoho stolu a odhalit problémy v síťové komunikaci a synchronizaci přenosů a distribuovaných procesů. VYUŽITÍ INTERNETU A VZDÁLENÉHO PŘÍSTUPU K PLC
Moderní PLC systémy jsou vybaveny i možností v rámci svého systému nadefinovat a spustit internetovou aplikaci, která je pak dostupná prostřednictvím standardní IP adresy. V rámci této aplikace lze pak z libovolného místa z internetu, za podmínky, že PLC je připojeno přes router na veřejnou síť, monitorovat vybrané parametry daného PLC, což umožňuje základní dálkovou diagnostiku systému. ZÁVĚR V článku jsme nastínili možnosti využití moderních PLC systémů jak v rámci výuky, tak i některé možnosti vývoje a simulace systémů jak v rámci systémů PLC tak i za použití kombinovaných prostředků, které využívají vhodných nástrojů simulačních jazyků, jejímž přestavitelem je například MATLAB.
78
LITERATÚRA [1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
CompactLogix System User Manual http://literature.rockwellautomation.com/id c/groups/literature/documents/um/1769um011_-en-p.pdf ControlLogix® Redundancy Systém Revision 13 [citace 14. 8. 09] dostupné
Rockwell Automation:CompactLogix & SCADA Popular Configuration Drawing [citace 14. 8. 09] dostupné z Rockwell Automation¨: Publication IASIMP-QR009B-EN-P – January 2008 [citace 14. 8. 09] dostupné z ŠPIČKA, I., HEGER, M.: Simulations of heat processes into Matlab program, In PROCESS CONTROL 2008, Kouty nad Desnou, Czech Republic, 2008, s. C153_a1 – 7, ISBN 978-80-7395-077-4 TECO a. s. OPC Server • Teco VERZE 1.1 – KVĚTEN 2003
Tento článek je součástí řešení projektu FRVŠ 2579/2009 „Zkvalitnění výuky programování řídicích systému s orientací na programovatelné logické automaty“.
