Programovatelné automaty

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Programovatelné automaty

Autoři textu: Doc. Ing. František Zezulka, CSc. Ing. Zdeněk Bradáč Ing. Petr Fiedler Ing. Pavel Kučera Ing. Radek Štohl

Brno

1.10. 2003

2

FEKT Vysokého učení technického v Brně

Obsah 1

ÚVOD..................................................................................................................................7

2

PROGRAMOVATELNÉ AUTOMATY .........................................................................7 2.1 CHARAKTERISTIKY PLC ................................................................................................. 8 2.1.1 Technické řešení (HW) programovatelných automatů (PLC)..................... 8 2.1.2 Vstupní/výstupní podsystém PLC .............................................................. 10 2.1.3 Speciální moduly ....................................................................................... 11 2.1.4 Silová část PLC ......................................................................................... 11 2.1.5 Modul CPU ............................................................................................... 12 2.2 PROGRAMOVÁNÍ PLC ................................................................................................... 13 2.2.1 Úvod do programového vybavení PLC .................................................... 13 2.2.2 Operační systém PLC................................................................................ 13 2.2.3 Programovací jazyky................................................................................. 14 2.3 OTÁZKY KE KAPITOLE 2 ................................................................................................ 15

3

ÚVOD DO GRAFCETU .................................................................................................16 3.1 HISTORIE GRAFCETU ................................................................................................. 16 3.1.1 Požadavky na řízení .................................................................................. 16 3.2 GRAFCET: POPISNÝ NÁSTROJ ..................................................................................... 17 3.2.1 Základní elementy – Kroky........................................................................ 18 3.2.2 Základní elementy – Přechody .................................................................. 18 3.2.3 Základní elementy – Orientované hrany ................................................... 19 3.2.4 Základní elementy – obecné poznámky ..................................................... 20 3.3 VÝVOJ STAVU ............................................................................................................... 20 3.3.1 Zapalitelný (Firable) přechod................................................................... 20 3.3.2 Pálení (Firing) přechodu .......................................................................... 21 3.3.3 Pravidla pálení přechodů.......................................................................... 21 3.4 AKCE A RECEPTIVITA ............................................................................................ 23 3.4.1 Bereme v úvahu čas................................................................................... 23 3.4.2 Detaily týkající se časové notace t / i / ∆................................................... 23 3.5 AKCE A VÝSTUPY .......................................................................................................... 24 3.5.1 Úrovňové akce........................................................................................... 24 3.5.2 Úrovňové akce – rozšířené možnosti podmíněných akcí........................... 25 3.5.3 Úrovňová akce v nestabilní situaci ........................................................... 26 3.5.4 Impulsní akce............................................................................................. 27 3.6 RECEPTIVITA ................................................................................................................. 27 3.6.1 Podmínky................................................................................................... 28 3.6.2 Události ..................................................................................................... 28 3.6.3 Událost s podmínkou – Receptivity ........................................................... 28 3.7 PŘÍKLADY POPISU GRAFCETEM .................................................................................. 28

4

SOUČASNÝ STAV A BUDOUCNOST PROGRAMOVATELNÝCH AUTOMATŮ33 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5

5

KATEGORIE PLC ........................................................................................................... 34 KONKURENTI PROGRAMOVATELNÝCH AUTOMATŮ ....................................................... 35 SLOT PLC A SOFT PLC ................................................................................................. 36 PŘÍKLAD POUŽITÍ IPC ................................................................................................... 37 OTÁZKY KE KAPITOLE 4 ................................................................................................ 39

KOMUNIKAČNÍ PODSYSTÉM PLC ..........................................................................40


3

5.1 SÉRIOVÉ KOMUNIKAČNÍ SBĚRNICE PLC ........................................................................40 5.1.1 Úvod do sériových komunikací ..................................................................40 5.1.2 ISO/OSI model ...........................................................................................42 5.1.3 Fyzický přenos ...........................................................................................44 5.1.4 Výměna dat mezi jednotlivými účastníky ...................................................46 5.1.5 Synchronní a asynchronní přenos dat .......................................................47 5.1.6 Přístupové metody v lokálních sítích .........................................................48 5.2 PŘEHLED PRŮMYSLOVÝCH KOMUNIKAČNÍCH SBĚRNIC ..................................................49 5.3 PROFIBUS 50 5.4 FIP 51 5.5 PROTOKOL CAN (CONTROLER AREA NETWORK) [ 7 ]..................................................52 5.5.1 Základní vlastnosti.....................................................................................52 5.5.2 Fyzické médium a fyzická vrstva................................................................52 5.6 PROTOKOL DEVICENET .................................................................................................53 5.6.1 Fyzická vrstva v síti DeviceNet..................................................................54 5.6.2 Aplikační vrstva protokolu DeviceNet .......................................................54 5.7 ETHERNET 55 5.7.1 Průmyslové sítě a Ethernet ........................................................................56 5.7.2 Komunikační protokoly průmyslového Ethernetu......................................57 5.7.3 Technologie známé z Internetu ..................................................................57 5.7.4 Ethernet z hardwarového hlediska ............................................................58 5.7.5 Zhodnocení perspektiv ...............................................................................59 5.8 MODBUS® TCP..........................................................................................................59 6

VYSOCE BEZPEČNÉ A VYSOCE FUNKČNÍ PLC ŘÍZENÍ .................................. 60 6.1 6.2 6.3 6.4

6.5

6.6 6.7 6.8

7

ÚVOD 60 ZÁKLADNÍ POJMY ..........................................................................................................60 METODIKA FT NÁVRHU .................................................................................................62 BOJ PROTI CHYBÁM........................................................................................................63 6.4.1 Předcházení chybám ..................................................................................63 6.4.2 Maskování chyb .........................................................................................63 6.4.3 Eliminování vlivu chyb...............................................................................63 6.4.4 Rekonfigurace ............................................................................................63 UKAZATELE SPOLEHLIVOSTI ..........................................................................................64 6.5.1 Střední doba mezi poruchami ....................................................................65 6.5.2 Pravděpodobnost bezporuchového provozu R(t).......................................65 6.5.3 Sériový spolehlivostní model .....................................................................65 6.5.4 Paralelní spolehlivostní model ..................................................................67 SYSTÉM TMR ................................................................................................................67 PŘÍKLAD FT PŘI PLC ŘÍZENÍ .........................................................................................68 VYSOCE BEZPEČNÉ A VYSOCE FUNKČNÍ PLC ŘÍZENÍ – STANDARDY..............................71 6.8.1 DIN V 19250 .............................................................................................71 6.8.2 IEC 61508 ..................................................................................................72 6.8.3 Vztah mezi DIN 19250 a IEC 61508..........................................................74

DCS VYBUDOVANÉ NA BÁZI PLC........................................................................... 76 7.1.1 Příklad PLC orientovaného DCS ..............................................................77 7.2 OTÁZKY KE KAPITOLE 7 .................................................................................................78

4


Seznam obrázků OBR. 1: OBR. 2: OBR. 3: OBR. 4: OBR. 5: OBR. 6: OBR. 7: OBR. 8: OBR. 9: OBR. 10: OBR. 11: OBR. 12: OBR. 13: OBR. 14: OBR. 15: OBR. 16: OBR. 17: OBR. 18: OBR. 19: OBR. 20: OBR. 21: OBR. 22: OBR. 23: OBR. 24: OBR. 25: OBR. 26: OBR. 27: OBR. 28: OBR. 29: OBR. 30: OBR. 31: OBR. 32:

BLOKOVÉ SCHÉMA VELMI MALÉHO PLC ............................................................. 9 BLOKOVÉ SCHÉMA STANDARDNÍHO MODULÁRNÍHO PLC.................................... 9 ČASOVÝ DIAGRAM ZÁKLADNÍ FUNKCE PLC ...................................................... 10 DIGITÁLNÍ VSTUP .............................................................................................. 10 UNIVERSÁLNÍ DIGITÁLNÍ VSTUP ........................................................................ 10 ZAPOJENÍ DIGITÁLNÍHO VÝSTUPU ...................................................................... 11 ZAPOJENÍ SKUPINY VÝSTUPŮ ............................................................................. 11 IDEA PROVÁDĚNÍ ŘÍDICÍHO PROGRAMU PLC ..................................................... 13 CYKLICKÝ REŽIM PLC ...................................................................................... 13 TIME-DRIVING-MULTITASKING U PLC............................................................... 14 CHOVÁNÍ CHODCE NA ŘÍZENÉM PŘECHODU ....................................................... 17 ZÁKLADNÍ ELEMENTY GRAFCETU – KROKY.................................................. 18 ZÁKLADNÍ ELEMENTY GRAFCETU – PŘECHODY............................................ 18 ZÁKLADNÍ ELEMENTY GRAFCETU – ORIENTOVANÉ HRANY ......................... 19 VÝVOJ STAVU .................................................................................................... 20 PÁLENÍ PŘECHODU ............................................................................................ 21 PŘÍKLADY PÁLENÍ PŘECHODU ............................................................................ 22 ŘEŠENÍ KONFLIKTU ........................................................................................... 22 ILUSTRACE ČASOVÉ NOTACE T / I / ∆ ................................................................. 23 PŘÍKLADY ČASOVÝCH ZÁVISLOSTÍ .................................................................... 23 NEPODMÍNĚNÁ A PODMÍNĚNÁ ÚROVŇOVÁ AKCE ............................................... 25 DALŠÍ MOŽNOSTI PODMÍNĚNÝCH ÚROVŇOVÝCH AKCÍ ....................................... 26 ÚROVŇOVÁ AKCE V NESTABILNÍ SITUACI .......................................................... 26 IMPULSNÍ AKCE ................................................................................................. 27 PŘÍKLAD 3.3: NAKLÁDÁNÍ VOZÍKU ................................................................... 29 PŘÍKLAD 3.5: DĚLIČKA DVĚMI .......................................................................... 30 PŘÍKLAD 3.7: POHYBUJÍCÍ SE VŮZ ..................................................................... 31 PŘÍKLAD 3.9: PLNĚNÍ NÁDRŽÍ ........................................................................... 33 PŘÍKLAD IPC PRO ŘÍZENÍ VÝROBNÍ BUŇKY ....................................................... 38 KONFIGURACE IPC PRO PLC A CNC ŘÍZENÍ VÝROBNÍ BUŇKY ......................... 38 SW VYBAVENÍ IPC PRO ÚČELY ŘÍZENÍ VÝROBNÍ BUŇKY .................................. 39 PROUDOVÁ SMYČKA 0-20MA S GALVANICKÝ ODDĚLENÍM A NAPÁJENÍM ZE STRANY VYSÍLAČE ............................................................................................................ 41 OBR. 33: JINÉ ZAPOJENÍ PROUDOVÉ SMYČKY 0-20MA ..................................................... 41 OBR. 34: ROZHRANÍ RS 422 ............................................................................................ 42 OBR. 35: ZAPOJENÍ RS 423 .............................................................................................. 42 OBR. 36: ZAPOJENÍ RS 485 .............................................................................................. 42 OBR. 37: SROVNÁNÍ KOMUNIKAČNÍCH STANDARDŮ ......................................................... 43 OBR. 38: ISO/OSI MODEL ................................................................................................ 43 OBR. 39: PŘENOS ZPRÁVY MEZI VRSTVAMI OSI MODELU ................................................ 44 OBR. 40: FYZICKÁ TVORBA PAKETU ................................................................................. 44 OBR. 41: PŘENOS V ZÁKLADNÍM PÁSMU .......................................................................... 45 OBR. 42: KÓDOVÁNÍ SIGNÁLU.......................................................................................... 46 OBR. 43: SYNCHRONNÍ A ASYNCHRONNÍ PŘENOS ZPRÁV .................................................. 46 OBR. 44: TDM A FDM .................................................................................................... 47 OBR. 45: ZNAKOVĚ ORIENTOVANÝ PŘENOS ..................................................................... 47 OBR. 46: RÁMEC HDLC .................................................................................................. 48 OBR. 47: BLOKOVĚ ORIENTOVANÝ PŘENOS...................................................................... 48 OBR. 48: PŘEHLED SÉRIOVÝCH KOMUNIKACÍ ................................................................... 49

Programovatelné automaty OBR. 49: OBR. 50: OBR. 51: OBR. 52: OBR. 53: OBR. 54: OBR. 55: OBR. 56: OBR. 57: OBR. 58: OBR. 59: OBR. 60: OBR. 61: OBR. 62: OBR. 63: OBR. 64: OBR. 65: OBR. 66: OBR. 67: OBR. 68: OBR. 69: OBR. 70: OBR. 71: OBR. 72: OBR. 73: OBR. 74:

5

ROZDĚLENÍ PRŮMYSLOVÝCH SÍTÍ.......................................................................50 ARCHITEKTURA PROTOKOLŮ PROFIBUS .............................................................51 PRINCIP PŘÍSTUPU K SÍTI U SÍTĚ PROFIBUS..........................................................51 METODA PŘÍSTUPU KE SBĚRNICI ........................................................................52 FYZICKÉ USPOŘÁDÁNÍ SÍTĚ CAN .......................................................................53 MODEL DEVICENET ...........................................................................................54 VÝZNAM IDENTIFIKÁTORU ZPRÁVY ...................................................................55 PRINCIP VLOŽENÍ MODBUSOVÉ ZPRÁVY DO TCP PAKETU .................................59 FT ŘETĚZEC .......................................................................................................61 METODIKA FT ...................................................................................................63 HRANICE PŮSOBNOSTI JEDNOTLIVÝCH FT TECHNIK ..........................................64 VANOVÁ KŘIVKA ...............................................................................................64 SÉRIOVÝ SPOLEHLIVOSTNÍ MODEL .....................................................................66 PARALELNÍ SPOLEHLIVOSTNÍ MODEL .................................................................67 SYSTÉM TMR ....................................................................................................67 MODEL KOLEJIŠTĚ .............................................................................................68 ŘÍDICÍ STRUKTURA SE DVĚMI PLC.....................................................................69 ŘÍDICÍ STRUKTURA SE DVĚMI PLC A KOMUNIKAČNÍ SBĚRNICÍ ..........................69 PRINCIP VYHODNOCENÍ I/O CHYBY....................................................................70 PRINCIP REKONFIGURACE ..................................................................................71 RIZIKOVÝ MODEL DLE DIN 19250 .....................................................................72 METODIKA URČENÍ ÚROVNĚ SIL........................................................................73 VZTAH MEZI DIN 19250 A IEC 61508 ..............................................................74 VZTAH MEZI IEC 951-1, DIN 19250 A IEC 61508 ...........................................75 PLC ORIENTOVANÝ DCS...................................................................................76 BLOKOVÉ SCHÉMA SIMATIC PCS 7 ....................................................................78

6


Seznam tabulek TAB. 1: TAB. 2: TAB. 3: TAB. 4: TAB. 5:

PŘEHLED PARAMETRŮ SLOT PLC A SOFT PLC. ................................................ 37 VARIANTY FYZICKÉHO MÉDIA ........................................................................... 58 PŘEHLED REKONFIGUACE A DETEKCE CHYB ...................................................... 70 VZTAH MEZI PRAVDĚPODOBNOSTÍ PORUCHY A SIL ÚROVNÍ ............................. 74 STANOVENÍ POSTUPŮ PŘI VYTVÁŘENÍ BEZPEČNÉHO SYSTÉMU DLE SIL ............. 76


7

1 Úvod Programovatelné automaty (Programmable Logic Controlers PLC) se staly nejvýznamnějším řídicím prostředkem pro řízení technologických procesů, výrobních linek a strojů již během první poloviny 80. let. Byly odezvou na vývoj mikroelektronické technologie, který umožnil vytlačit centralizovaného řízení, reprezentované řídicími počítači a minipočítači distribuovanou řídicí technikou. Tato technika (PLC) sice zůstala na dlouhou dobu pozadu v programátorském komfortu za řídicími počítači a minipočítači, na druhé straně vykazovala nesporné výhody. Mezi ty patří spolehlivost, snazší rozdělení řídicí struktury na samostatné celky s jasně definovatelnými rozhraními, vysoká spolehlivost, nižší náklady na kabeláž. Z toho plyne rychlejší uvedení do chodu, snazší údržba, jednodušší ladění programů, modulární výstavba a tím optimalizace ceny HW, vysoká stabilita jednoduchého operačního systému, nižší nároky na kvalifikaci projekčních a inženýrských pracovníků, celkově nižší náklady na realizaci projektu, uvedení do chodu a závěrečné fáze projektu.

2 Programovatelné automaty Vzhledem k tomu, že PLC nenahradily jen řídicí počítače a minipočítače, ale i malou automatizaci, reprezentovanou průmyslovými regulátory, bezkontaktní logikou a reléovou logikou, bylo pochopitelné, že jedním z kategorických požadavků průmyslu (projektantů, elektroinženýrů a středních odborných pracovníků) byl především jednoduchý programovací jazyk, který by byl velmi podobný jazyku logických schémat, booleovským rovnicím, reléovým schématům, assembleru. Díky těmto jednoduchým programovacím "jazykům" bylo poměrně jednoduché klasickou techniku logického řízení nahradit programově orientovanými a tedy nesrovnatelně flexibilnějšími řídicími systémy - programovatelnými automaty. Programovatelný automat umožňuje logické rovnice naprogramovat, zatímco předcházející bezkontaktní nebo reléová logika (nebo v dnešní době programovatelná logická pole) řeší logické rovnice fyzickým propojením logických členů. Jakákoli změna logické struktury se snadno provede změnou programu programovatelného automatu, což je podstatně jednodušší, než přepojení reléového nebo logického schéma. Odhlédneme-li od počáteční nespolehlivosti prvních programovatelných automatů (způsobené především nespolehlivostí elektronických součástek), náhrada relé a bezkontaktní logiky programovatelnými automaty byla jednoduchá a úspěšná. V případě náhrady řídicího počítače programovatelným automatem nebyla situace pro novou technologii zdaleka tak příznivá. Pokročilejší programovatelné automaty sice vykazovaly již dostatečnou spolehlivost a rovněž organizace projekčních prací a jejich realizace byly výrazným zjednodušení oproti centralizovanému návrhu, sériovém ladění jednotlivých úloh a uvádění složitého systému do chodu, na druhé straně programátorský komfort minipočítačů se programovým prostředím PLC nahradil v plné míře až s příchodem SCADA systémů. Výhody a nevýhody programovatelných automatů: A. Výhody : •

rychlé přeprogramování úlohy

•

malá varieta náhradních dílů

8

FEKT Vysokého učení technického v Brně •

možnost vystavění velké hierarchické struktury dle potřeby

•

flexibila (naprojektování na míru)

•

modularita (možnost rozšíření)

•

hospodárnost (levné velmi malé a malé kompaktní automaty)

•

vestavěná diagnostika vlastního PLC

•

možnost tvorby diagnostiky vnější

•

jednoduché programování

•

možnost použití vyšších programovacích jazyků u nových automatů

•

jednoduchý a tím spolehlivý OS reálného času

•

velká nabídka kvalitních přístrojů různých výrobců

B. Nevýhody: •

nižší programátorský komfort než u minipočítačů

•

vyšší cena než IPC ekvivalentního výkonu při nižším programátorském komfortu PLC

•

menší flexibilita ve srovnání s IPC

•

užití nedostatečně standardizovaných sériových komunikačních sběrnic pro propojení automatů do sítí

•

nezbytnost hierarchické architektury při propojování do větších celků

2.1 Charakteristiky PLC 2.1.1 Technické řešení (HW) programovatelných automatů (PLC) V době svého vzniku (konec 60. let) si programovatelné automaty kladly za úkol nahradit efektivnějším způsobem reléovou a později i bezkontaktní logiku. Proto jejich architektura vycházela z toho, že budou zpracovávat binární informaci. Jako HW jádro používaly bitové procesory. To mělo za následek, že v době velmi pomalých procesorů s 8 nebo 16 bitovým slovem (v průběhu 70. let), se jevily bitové procesory jako velmi rychlé, kvaziparalelní řešení ve srovnání s 8 a 16bitovými procesory. Proto se na architekturu PLC kladly následující nároky: •

bitově orientovaná CPU

•

bitově orientovaná paměť dat

•

slovně orientovaná paměť programu

•

rozhraní na programovací přístroj

•

jednoduchý instrukční soubor na zpracování logických rovnic

•

systém speciálních funkcí (časovače, čítače a další)

Takto zkonstruovaný PLC se do dnešní doby nezachoval. Rychlost a příznivá cena výkonných mikroprocesorů umožňuje použití slovně orientovaných mikroprocesorů i u velmi


9

malých PLC. Přesto se blokové schéma velmi malých, kompaktních PLC liší od architektury středních a velkých automatů, jak je patrné z Obr. 1 a Obr. 2.

Obr. 1:

Blokové schéma velmi malého PLC

Řízení logické úrovně je nemyslitelné bez toho, aby byly k disposici v základním vybavení každého PLC časové funkce (časovače) a funkce čítání impulsů (čítače). Proto každý PLC má tyto dvě funkce v základním programovém vybavení.

Obr. 2:

Blokové schéma standardního modulárního PLC

Je patrné, že blokové schéma standardního modulárního PLC je velmi podobné na architekturu mikropočítače. Základ tvoří vnitřní 16 nebo 32 bitová sběrnice, kolem které je modulárně vytvořen celý PLC. Zatímco u prvních PLC s bitově orientovanou CPU byla paměť programu oddělena od paměti dat nebo naopak a pro data se používala i jiná (bitová) organizace paměti, dnešní PLC mají jednu operační paměť, ve které jsou vyhrazeny prostory pro vstupní data, výstupní data, vnitřní proměnné a paměťový prostor na vlastní program. Kromě toho jsou v paměti uloženy i funkční bloky a funkce jak systémové, tak vytvořené uživatelem. Způsob práce, který od počátku charakterizuje PLC a odlišuje je od řídicích mikropočítačů, t.j. cyklický způsob vykonávání programu zůstal základním režimem prakticky všech PLC. Tento základní režim práce PLC je ukázán na Obr. 3.

10


Obr. 3:

Časový diagram základní funkce PLC

2.1.2 Vstupní/výstupní podsystém PLC Programovatelný automat má perfektně propracovaný podsystém vstupů a výstupů. Tato vlastnost (platí i pro velmi malé PLC), která charakterizuje tyto řídicí systémy, je jednou z příčin jejich trvalé popularity. Zatímco s nákupem programovatelného automatu uživatel přirozeně nakupuje perfektně vyřešený podsystém vstupů a výstupů v pevné konfiguraci (kompaktní PLC) nebo v jednotlivých V/V modulech. V případě, že se rozhodne pro některou jinou alternativu řídicího systému (jako mikropočítač, programovatelné hradlové pole apod.), musí podsystém vstupů a výstupů řešit. Na Obr. 4 je principiálně znázorněno řešení karet digitálních vstupů PLC.

Obr. 4:

Digitální vstup

Digitální vstupy bývají i v universálním provedení (střídavé i stejnosměrné napětí viz Obr. 5). Kromě galvanického oddělení jsou vybaveny filtrem pro odfiltrování poruchových signálů (3 – 10 ms RC filtr na vstupu) a diodami pro ochranu proti přepólování a proti napěťovým špičkám (Obr. 4). Digitální výstupy jsou buď v nevýkonovém provedení do max. stovek mA (s tranzistorem Obr. 6) nebo výkonové (s tyristorem) nebo reléové pro spínání větších výkonů stejnosměrných i střídavých.

Obr. 5:

Universální digitální vstup


Obr. 6:

11

Zapojení digitálního výstupu

Kromě digitálních (též binárních) vstupů a výstupů DI/DO poskytují uživateli jak mnohé kompaktní, tak především modulární PLC i analogové vstupy a výstupy. Analogové vstupy jsou napěťové pro stejnosměrné napětí s různou přesností A/D převodníků (typicky 12bitové), nebo proudové (4 – 20 mA), nebo proudové pro připojení Pt100. Analogové výstupy jsou v různém provedení dle požadovaného výkonu. Často se analogový výstup realizuje formou šířkově modulovaných výstupních impulsů konstantní amplitudy.

Obr. 7:

Zapojení skupiny výstupů

2.1.3 Speciální moduly U modulárních PLC najdeme velkou nabídku speciálních modulů, které rozšiřují působnost programovatelného automatu daleko za původní hranice jeho určení. Jde např. o moduly realizující až 8 regulačních smyček s volitelnými parametry PID regulátorů. Dále o moduly pro řízení hydraulických servoventilů a proporcionálních ventilů, moduly diagnostiky, vizualizační moduly pro sledování procesu na připojených provozních obrazovkách (tyto velmi drahé moduly již ztratily na významu s příchodem prostředí Windows), moduly pro měření teploty, pro regulaci teploty, a další. Zvláštní místo mezi speciálními moduly zaujímají moduly komunikační. Pomocí těchto modulů jsou automaty propojovány navzájem mezi sebou a s vyššími i nižšími úrovněmi řízení po průmyslových sériových sběrnicích. 2.1.4 Silová část PLC Do této části zahrneme jak rám programovatelného automatu, tak napájecí zdroj. Kompaktní a velmi malé PLC jsou v jiném mechanickém provedení, než modulární PLC. Napájecí zdroj, CPU, podsystém I/O, speciální moduly (komunikační rozhraní) jsou provedeny v jednom kompaktním celku bez možnosti rozšíření (jedině připojením dalšího rozšiřujícího kompaktního modulu, viz kupř. Telemecanique TSX). Naproti tomu mechanické provedení modulárních PLC umožňuje modulární výstavbu systému, volbu její minimální až maximální varianty, připojování rozšiřujících rámů, propojování automatů navzájem mezi

12


sebou a se sousedními úrovněmi řízení pomocí sériových sběrnic. Rám se již zcela výjimečně konstruuje robustně, s vývojem mikroelektroniky se systémy zmenšily z velikosti odpovídající dvojitému evropskému formátu na jednoduchý. Jen nejvýkonnější automaty jsou pak stále ještě v provedení 2E. Moduly (karty) zaujímají v rámu jednu nebo 2 pozice. Provedení rámu zpravidla definuje i pozici karet. Výkonový zdroj (buď na 230V AC, nebo na 24V DC) má danou pozici, podobně jako CPU. Rovněž přídavná paměť a komunikační procesory mají přesné místo v rámu. Ostatní karty (někdy s výjimkou speciálních karet) mají polohu libovolnou. Rám je vybaven vnitřní paralelní systémovou sběrnicí pro signálové a elektrické propojení modulů s CPU a pamětí. Umístění karty v rámu však zpravidla určuje i její adresu a dle tohoto fyzického uspořádání karet je třeba systém zkonfigurovat. Mechanické upevnění modulů (karet) je v provedení" plug-and-play" a klade na obsluhu minimální nároky. U předcházející generace středních a velkých PLC byl v rámu umístěn i ventilátor. Rám se zpravidla montuje na montážní lištu do rozvaděče, neboť současná generace PLC již není v takovém IP krytí, aby se umisťovala přímo do procesu. Rám zpravidla obsahuje i modul s konektory pro propojení rozšiřujících rámů. Tak je možné rozšířit počet I/O, příslušejících k dané CPU, umístěné v základním rámu. Vzdálenost bývá buď krátká (do 1m, když se jedná o rozšíření v jednom rozvaděči) nebo do 10 m. 2.1.5 Modul CPU Tento modul tvoří jádro PLC a je zpravidla k disposici v různém provedení dle výkonu procesoru. Modul CPU je také jediným modulem, ve kterém se během životnosti daného PLC dá pružně reagovat na vývoj mikroelektronické technologie. Moduly CPU mají též zabudováno některé programovací nebo komunikační rozhraní pro přenos programu do paměti programu. Moduly CPU modulárních PLC musí toto programovací rozhraní obsahovat z principu, u modulárních záleží na výrobci, zda rozhraní provede jako samostatným modul nebo zda jím vybaví modul CPU. Rozdíl v ceně modulu CPU s rozhraním kupř. Profibus a bez něj je značný. Modul CPU je zpravidla vybaven: •

procesorem s 16 nebo 32, výjimečně s 64 bitovým slovem

•

může být doplněn bitovým procesorem pro rychlé řešení logických rovnic (jen u velkých a některých středních PLC a u starší generace PLC)

•

bitovými registry (flags)

•

pamětí EPROM pro operační systém

•

pamětí RAM (zálohovanou) pro program

•

pamětí RAM (zpravidla zálohovanou) pro V/V data

•

programovacím rozhraním

•

standardizovaným rozhraním s protokolem pro sériovou komunikaci s nižší i vyšší řídicí úrovní


13

2.2 Programování PLC 2.2.1 Úvod do programového vybavení PLC Základní režim práce programovatelných automatů je cyklický režim provádění řídicího programu. Tím se zásadně liší od počítačů pro vědecko – technické výpočty i od řídicích počítačů, minipočítačů a mikropočítačů. Je to dáno tím, že původním posláním PLC byla náhrada reléové a bezkontaktní logiky. Ta ovšem také pracuje jako paralelní řídicí systém, protože na danou kombinaci vstupních signálů (vstupní vektor) dává v libovolném okamžiku odpovídající reakci (výstupní vektor). Programovatelné automaty simulují tuto funkci rychlým sériovým zpracováním vzorku vstupního vektoru a vysláním výstupního vektoru opět v jednom okamžiku. To předpokládá, že řídicí program obsahuje všechny logické funkce mezi vstupními, vnitřními a výstupními signály, které jsou potřebné pro řízení daného technického zařízení v logickém sledu. Dále to předpokládá, že programy jsou řízeny jednoduchým operačním systémem reálného času, který zaručuje naskenování vstupního vektoru, výpočet všech logických rovnic, které popisují daný řídicí systém a vyslání výstupního vektoru na výstupní zařízení, která realizují výstupní signály. Kromě toho musí operační systém také zajistit spuštění a stop PLC a jeho vnitřní diagnostiku. Na Obr. 8 je ukázka principu řešení programového vybavení PLC. Obr. 8: 2.2.2

Idea provádění řídicího programu PLC

Operační systém PLC

Operační systém je soubor programů, které spolu s dalšími vlastnosti výpočetního systému tvoří základ pro pracovní režimy výpočetního systému. Zejména vykoná řízení a dohled nad běžícími programy. Programovatelné automaty PLC jsou vybaveny zpravidla jednoduchým, spolehlivým operačním systémem reálného času. Jednoduchost a spolehlivost operačního systému (OS) programovatelných automatů hraje významnou roli v konkurenceschopnosti PLC oproti IPC a dalším prostředkům průmyslové automatizace.

Obr. 9:

Cyklický režim PLC

Tento operační systém musí zajistit výše uvedené funkce pro provádění jak cyklického programu (Obr. 9), tak reagování PLC na vnitřní i vnější události mimo cyklický režim.

14


Režim přerušení může být parametrizován, takže časově kritické akce mohou být obslouženy mimo cyklus PLC. Proto je v PLC implementována některá z forem mnohonásobného provádění úloh, tzv. multitasking. V současné době, kdy většina PLC má k disposici jen jednu CPU, nejde o skutečný paralelní běh úloh na multiprocesorovém systému, ale pouze o souběžné vykonávání několika úloh na jediném procesoru. V dalším uveďme princip jednoduchého multitaskingového systému, implementovaného často na stávajících PLC. Jedná se o jistou jednoduchou formu multitaskingu, kdy i zde lze rozlišovat přerušení od časovače (time-driving-multitasking) a přerušení od procesu (event- driving-multitasking). Na Obr. 10 je znázorněna funkce PLC při time-driving-multitasking [ 1 ]. Jednotlivým úlohám (task) jsou přiřazeny priority 1 až 4. Čím vyšší číslo, tím vyšší priorita. Úlohy 4 a 2 se vykonávají v každém cyklu, protože jde o časově kritické úlohy, které nestačí ošetřovat s delší periodou. Naopak úlohy 3 a 1 stačí ošetřovat jen každý druhý cyklus. Na Obr. 10 je dále vidět, že dle priority jsou tasky vykonávány v pořadí 4-3-2-1 a dále to, že doba cyklu není dostatečně dlouhá, takže task 1 se nestačí vykonat v jednom cyklu. Zbytek úlohy (task1) se proto musí vykonat v následujícím cyklu, ale s prioritou nižší, než mají úlohy 4 a 2. V tomto režimu může každý uživatel psát svoji úlohu nezávisle na ostatních úlohách. Každý task využívá samostatně "svoje vstupní veličiny". Funkce přerušení je podobná i v případě přerušení od procesu. Kupř. změna vstupní veličiny způsobí start příslušného tasku. Některé multitaskové systémy umožňují libovolnému tasku využívat libovolné proměnné (vstupní, vnitřní proměnné).

Obr. 10:

Time-driving-multitasking u PLC

I při existenci přerušení zůstává ve většině případů cyklický režim funkce, znázorněný na Obr. 9, základním pracovním režimem. Doba cyklu PLC je zpravidla definována jako doba, kterou PLC potřebuje k načtení dat, vyslání dat na výstupy a zpracování 1k instrukcí (nikoli 1 instrukce, neboť program o 1 instrukci nedává smysl). Typická doba cyklu moderních PLC (k roku 2000) je 1 - 5 ms, přičemž PLC s rychlými CPU do 1 ms jsou k disposici (Mitshubishi a další). 2.2.3

Programovací jazyky

Stávající programovací jazyky PLC jsou velmi jednoduché. Odpovídají stále ještě ve velké míře svému původnímu poslání, totiž umožnit projektantům logické úrovně řízení přejít z HW řešení boolovských rovnic (pomocí reléové nebo bezkontaktní logiky) na řešení Booleovských rovnic programem pro programovatelný automat. Proto převažují tyto programovací jazyky: A. Grafické •

jazyk reléových schémat - Ladder Diagram (LD)

Programovatelné automaty •

15

jazyk logických schémat - Function Block Diagram (FBD)

B. Algebraické •

mnemo kód (SL - Statement List)

S vývojem HW programovatelných automatů docházelo i k vývoji programovacích jazyků. Přesto v Německu a střední Evropě se používá v největší míře mnemo kód (německy AWL- Anweisungsliste) kombinovaný s programováním pomocí funkčních bloků a jazyk reléových schémat LD. Ve Francii se prosadil moderní a velmi efektivní jazyk pro popis sekvenčního systému GRAFCET, kombinovaný s LD. Na severamerickém kontinentu se používá takřka výhradně Ladder Diagram. Před několika lety mezinárodní elektrotechnická komise IEC vydala normu, týkající se programovatelných systémů a systémů logického řízení jako takových. Tato norma bude popsána v dalším. Klade si za úkol maximální normalizaci HW a zejména způsobu programování PLC. Je celou řadou výrobců PLC akceptována, avšak má i celou řadu kritiků a její osud není znám s ohledem na rychlý vývoj mikroelektronické technologie. Přesto zůstává nejvýznamnější iniciativou v oblasti programování PLC od vzniku této techniky. Třetí část Normy IEC 1131-3 se zabývá programováním a programovacími jazyky. Zahrnuje všechny nejobvyklejší programovací jazyky a doplňuje je na následující množinu: A. Grafické •

LD

•

FBD

•

SFC

B. Algebraické •

IL

•

ST (Structured Text), vyšší programovací jazyk, podobný PASCALu

Sequential Function Chart (SFC) je grafický jazyk vycházející důsledně z GRAFCETu a prakticky totožný s jeho průmyslovou variantou. Kromě toho programovací model IEC 1131-3 vychází z prvků strukturovaného programování a podporuje další programovací přístupy, které v oblasti PLC nebyly příliš používány jako povinná deklarace proměnných na počátku programu, jasně definované požadavky na funkce a funkční bloky ap., což v konečném důsledku spěje k systémově neutrálnímu programování PLC, umožňujícímu přenositelnost programu z jedné HW platformy (automatu) na druhou a to i jiného výrobce. U PLC byl vždy kladen velký důraz na spolehlivost a bezpečnost. V dnešní době se tyto požadavky kladou na všechny řídicí systémy ve zvýšené míře. Programovatelné automaty se vyznačují vysokou odolností proti rušení (potenciálové oddělení vstupů a výstupů), definovaným chováním v případě výpadku napájení (uvedení do bezpečného stavu, automatický restart, uložení programu v nedestruktivní paměti, diagnostika vnitřní i vnější). Podrobnější rozbor řešení vysoce bezpečných a vysoce spolehlivých PLC přesahuje rozsah těchto skript, avšak pro jeho důležitost mu bude věnována pozornost v přednáškách.

2.3 Otázky ke kapitole 2 1) Základní vlastnosti programovatelných automatů.

16

FEKT Vysokého učení technického v Brně 2) Blokové schéma modulárního PLC. 3) Které systémy konkurují PLC a s jakým výsledkem? 4) Časový diagram základní funkce PLC. 5) Princip obvodového řešení vstupních jednotek PLC. 6) Princip obvodového řešení výstupních jednotek PLC. 7) Vlastnosti operačního systému PLC. 8) Princip funkce PLC v cyklickém a v přerušovacím režimu . 9) Příklad programového vybavení moderních PLC. 10) Programovací jazyky PLC, rozdělení, charakteristika, příklad jednotlivých jazyků. 11) Cíle normy EN 61131 ( IEC 1131), SW model.

3 Úvod do GRAFCETu 3.1 Historie GRAFCETu •

Do roku 1960 bylo logické řízení realizováno pomocí: o elektromagnetických relé o pneumatických relé o elektronických hradel a klopných obvodů

•

V roce 1969 byl představen první programovatelný logický automat

•

Počátkem sedmdesátých let dvacátého století umožnily mikroprocesory realizovat složité logické řídicí struktury.

PLC jsou používány zejména v následujících odvětvích: strojírenská výroba, hutnictví, chemický, papírenský, potravinářský průmysl, doprava a manipulace, atd. 3.1.1

Požadavky na řízení •

Popsat sekvenci stavů systému řízeného diskrétními událostmi, přičemž systém může obsahovat obrovské množství stavů.

•

Postihnout souběžné děje pro dosažení jednoduchosti a srozumitelnosti.

•

Obecně, máme-li systém, tak v daném okamžiku pouze změna malého množství vstupů znamená změnu malého množství výstupů. Metodika popisu systému by měla operovat pouze s těmi vstupy/výstupy, které se v daném okamžiku mění.

•

Zajistit snadné pochopení a porozumění vstup-výstupního chování řídicího automatu.

Na základě těchto požadavků vznikl GRAFCET.


17

•

Franzouzský standard: 1982 → GRAFCET: GRAphe Fonctionnel de Commande Etapes Transitions

•

Mezinárodní standard: 1988 (IEC 848) – „Sequential Function Chart“ (SFC)

3.2 GRAFCET: Popisný nástroj Příklad 3.1:

Chování chodce při přechodu přes silnici se semaforem. 1 r1

t1 2

r2

t2 3

t3

RUN

r4

t4

r3

4

Obr. 11:

WALK

WALK

Chování chodce na řízeném přechodu

Vstupy:

Výstupy:

r1 – zelená

WALK - chůze

r2 – blikající varovné světlo

RUN - běh

r3 = r4 - dosažení chodníku Příklad demonstruje chování chodce při přechodu vozovky na přechodu pro chodce řízeného světelným signalizačním zařízením. Vlastní GRAFCETový model popisuje rozhodovací mechanismus chodce, který řeší řídící úkol. Model se skládá z kroků (čtvereček označený číslem {1, 2, 3, 4}) a přechodů (silná příčná čára {t1, t2, t3, t4}), přičemž z jednoho kroku do druhého se přechází na základě splnění podmínky připojené k přechodu (podmínky jsou {r1, r2, r3, r4}). Aktivní krok v daném okamžiku je označen tečkou. GRAFCETový model využívá pro vlastní rozhodování charakteristik popisující vstupy do rozhodovacího procesu chodce, což jsou informace o barvě svítícího světla (r1, r2) na semaforu a informaci o dosažení okraje chodníku (r3, r4) na druhé straně vozovky. Dále výstupy GRAFCETového modelu popisují akční zásahy řídícího algoritmu (příkazy WALK, RUN). Vlastní logika GRAFCETového modelu popisuje rozhodovací mechanizmus odehrávající se v mozku chodce. Na počátku stojí chodec těsně před přechodem pro chodce (GRAFCET je aktivní v kroku 1 – krok 1 obsahuje token=tečka). První rozhodnutí chodec prování, když identifikuje, zda svítí zelené světlo na semaforu (r1=TRUE). Jestliže je tato podmínka splněna, potom je aktivován krok 2 (GRAFCET je aktivní v kroku 2, krok 1 je deaktovován) a je proveden příkaz WALK (příkaz pro chodce, aby šel volnou chůzí). Nyní může dojít ke dvou různým situacím: a) Chodec přešel přechod a dosáhnul druhé stany vozovky (je splněna podmínka r4=TRUE). Potom GRAFCET přejde do kroku 4 (je aktivní krok 4, krok 2 je

18

FEKT Vysokého učení technického v Brně deaktovován) a je aktivován akční zásah WALK, tj. chodec pokračuje ve volné chůzi na chodníku za přechodem a rozhodovací mechanizmus končí. b) V průběhu přecházení přechodu začalo blikat varovné světlo (r2=TRUE), což znamená, že se blíží konec doby svitu zeleného světla a bude následovat přepnutí na červenou. Potom GRAFCET přejde do kroku 3 (je aktivní krok 3, krok 2 je deaktovován) a je aktivován akční zásah RUN, tj. chodec začne utíkat tak, aby urychlil přecházení. Dále pokračuje rozhodovací mechanizmus stejně jako v první situaci, jen ukončení přecházení je dáno splněním podmínky r3=TRUE.

3.2.1

Základní elementy – Kroky 1.

GRAFCET je graf, který obsahuje dva typy uzlů:

KROKY a PŘECHODY

2.

Orientované hrany spojují buď krok s přechodem, nebo přechod s krokem

KROKY: Krok je reprezentován čtvercem:

1

2

3

Neaktivní

Aktivní

Počáteční

Obr. 12:

Základní elementy GRAFCETu – Kroky

Krok může nabývat dvou stavů: •

aktivní: Aktivní krok je reprezentován přítomností tokenu (tečky), viz krok 2

•

neaktivní: Viz krok 1

Kroky, které mají být aktivní při startu systému mají dvojité orámování a říká se jim počáteční kroky (viz krok 3). Věta 3.1: GRAFCETu. 3.2.2

Akce jsou přiřazeny krokům, tyto akce representují výstupy

Základní elementy – Přechody PŘECHODY: Přechod je representován příčnou tlustou čarou: (3)

(1)

R1

(2)

Jednoduchý Obr. 13:

R3 (4)

R2

Spojovací AND

Rozdělující AND

R4

Spojovací a rozdělující AND

Základní elementy GRAFCETu – Přechody

Poznámky: •

Přechodový symbol je reprezentován příčnou tlustou čarou.

•

V případě, že se jedná o přechod spojující dvě a více hran, musí být před tímto symbolem ještě navíc dvojitá příčná čára, viz přechod (2) a (4).

Programovatelné automaty •

19

Jedná-li se o rozdělující přechod, ze kterého vychází dvě nebo více hran, musí být tento symbol následován dvojitou příčnou čarou, viz přechody (3) a (4).

Věta 3.2:

Receptivita (rozhodovací práh) Ri je přiřazená každému přechodu (i).

Věta 3.3:

Receptivita je funkcí vstupních proměnných a případných vnitřních stavů. Rozdělující AND funkce umožňuje spustit na základě jedné podmínky dva či více paralelních procesů. Přičemž jeden token v kroku bezprostředně předcházejícím přechod se rozpadne na tolik tokenů, kolik paralelních větví následuje za funkcí Rozdělující AND a všechny bezprostředně následující kroky budou aktivovány. Spojovací AND umožňuje na základě jedné podmínky ukončit dva či více paralelních procesů. Přičemž aby byly ukončeny všechny paralelní větve, musí být splněny dvě podmínky, a to všechny bezprostředně předcházející kroky musí obsahovat token a přechod musí být aktivní. V tomto případě se sloučí všechny tokeny v krocích bezprostředně předcházející přechod v jeden, který bude umístěn v kroku bezprostředně následujícím. Spojovací a rozdělující AND umožňuje synchronizovat paralelní procesy. Jedná se o obdobu semaforu v real-time systémech, kde běží více paralelních procesů, a v jednom okamžiku jsou tyto procesy časově synchronizovány. Proto, aby byly ukončeny paralelní procesy předcházející přechodu musí všechny bezprostředně předcházející kroky obsahovat token a přechod musí být aktivní. V tomto případě jsou tokeny sloučeny do jednoho, který přejde přes přechod a následně je rozdělen na tolik tokenů, kolik je spouštěných nových procesů a tyto tokeny jsou umístěny do bezprostředně následujících kroků. 3.2.3

Základní elementy – Orientované hrany ORIENTOVANÉ HRANY: Jsou reprezentovány jednoduchou linkou:

(1)

R1

(3)

(4)

R3

R4

3

1 2 (5) (2)

R5

(6)

R6

R2

Spojovací OR

Obr. 14:

Rozdělující OR

Orientovaná hrana zdola nahoru

Základní elementy GRAFCETu – Orientované hrany

Poznámky: •

Orientovaná hrana musí vždy spojovat krok s přechodem, nebo přechod s krokem.

•

V grafické representaci musí obsahovat šipku pouze hrana jdoucí zdola nahoru.

Rozdělovací OR funguje jako podmíněné spuštění procesů, přičemž zastává funkcí přepínače. Na základě platnosti podmínky v jedné větví pokračuje vývoj programu právě touto větví. Jedná se o ekvivalent příkazu IF R5 THEN … ELSEIF R6 THEN … Spojovací OR umožňuje sloučit více alternativních větví do jedné centrální, kterou pokračuje vývoj programu.

20


Orientovaná hrana zdola nahoru umožňuje provést návrat v programu, a tudíž vytvářet smyčky v programu. 3.2.4

Základní elementy – obecné poznámky •

V GRAFCETu nemusí mít krok žádný vstupní a/nebo žádný výstupní přechod. Podobně přechod nemusí mít žádný vstupní a/nebo výstupní krok.

•

Přechod bez vstupního kroku se nazývá zdrojovým přechodem, přechod bez výstupního kroku se nazývá cílovým přechodem.

•

Orientovaná hrana musí vždy mít výchozí uzel (přechod nebo krok) a musí mít i cílový uzel (přechod nebo krok).

3.3 Vývoj stavu 1 (1)

R1

2

3 (2)

Action A R2

4

(3)

Obr. 15:

R3

Vývoj stavu

Aktivní krok obsahuje právě jeden token, neaktivní krok neobsahuje žádný token. Všechny aktivní kroky v daném okamžiku (např. viz obrázek) plně definují situaci (stav systému) v daném okamžiku. Následný vývoj situace je dán pálením (Firing) přechodů. Obr. 15 ukazuje systém popsaný GRAFCETem. Tento systém obsahuje 4 kroky a 3 přechody. Kroky 2 a 3 jsou aktivní. Daná situace je reprezentována množinou aktivních kroků, tedy v tomto případě {2, 3}. Akce A, související s krokem 3 je prováděna od okamžiku aktivace kroku 3. Věta 3.4:

3.3.1

Proměnná Xi je Booleovskou proměnnou, která nabývá hodnoty 1, tehdy a pouze tehdy, když je krok i aktivní. Proměnná Xi se nazývá stavovou proměnnou kroku. V našem případě: X1 = X4 = 0, a X2 = X3 = 1.

Zapalitelný (Firable) přechod

Přechod je zapalitelný (Firable) tehdy a jen tehdy, když jsou splněny obě následující podmínky:


21

•

Všechny kroky bezprostředně předcházející danému přechodu jsou aktivní (říkáme, že přechod je povolen - Enabled)

•

Receptivita přechodu nabývá hodnoty „True“ (log. 1)

V našem příkladě přechody (1) a (3) nejsou povoleny. Přechod (2) je povolen a tudíž je zapalitelný v případě, že receptivita R2 nabývá hodnoty „True“. 3.3.2

Pálení (Firing) přechodu

Pálení přechodu spočívá v deaktivaci všech předchozích kroků a aktivaci všech následujících kroků. 1

1

2

(i)

3

Ri

2

(i)

4

Ri

3

4

Přechod (i) je povolen a zaráz Ri=TRUE. Obr. 16: Pálení přechodu Jestliže všechny bezprostředně předcházející kroky obsahují token a receptivita přechodu Ri je TRUE potom přechod zapálí. Všechny bezprostředně předcházející kroky danému přechodu jsou deaktivovány a jsou aktivovány všechny bezprostředně následující kroky. 3.3.3

Pravidla pálení přechodů Věta 3.5:

Pravidlo 1:

Všechny zapalitelné přechody okamžitě pálí.

Věta 3.6:

Pravidlo 2:

Všechny současně současně.

Věta 3.7:

Pravidlo 3:

V případě, že krok má být současně aktivován a deaktivován, tak zůstává aktivní.

zapalitelné

přechody

pálí

22


7

7 Před zapálením

1

2 (67)

(1)

a

(2)

3

a

(6)

b

4

(7)

b

8

9

8

9

7

7 Po zapálením

1

b

2 (67)

(1)

a

(2)

3

Obr. 17:

a

(6)

b

4

(7)

b

b

8

9

8

9

Příklady pálení přechodu

Jak předejít konfliktu mezi dvěma přechody: 1

(1)

a

(2)

2

b 3

1

(1)

a 2

1

(2)

b·a

(1)

a·b

(2)

a·b

(3)

a·b

3 2

Možná úprava v případě, že pouze jeden přechod má zapálit. Obr. 18: Řešení konfliktu

3

Možná úprava v případě, že musí zapálit oba přechody.


23

Obr. 18 uvádí příklad, kdy není známo, zda zapálí pouze jeden přechod, nebo zda budou pálit oba přechody. Z tohoto důvodu, aby se ošetřil konfliktní stav, takže je nezbytné původní strukturu upravit podle upřesněných požadavků.

3.4 AKCE A RECEPTIVITA 3.4.1

Bereme v úvahu čas Čas může být použit k definování receptivity nebo k omezení délky trvání akce. Zápis používaný pro časovou proměnnou: Věta 3.8:

Proměnná t / i / ∆ je booleovská proměnná, která nabývá hodnoty 1 tehdy a jen tehdy, když uběhl alespoň časový interval o délce ∆ od okamžiku, kdy naposledy krok i přešel z neaktivního do aktivního stavu. a b

5 (1)

1 0 1 0

1 X5 0

a

1 X6 0

6 (2)

10 sec

1 t/6/10 sec 0

b

20 sec

1 t/6/20 sec 0

Obr. 19: 3.4.2

Ilustrace časové notace t / i / ∆

Detaily týkající se časové notace t / i / ∆

Initial time Xi

t/i/∆

↑t/i/∆

t/i/∆

A

B

C

D

1 0

∆ ∆

1

∆

∆

∆

0 1 0

Obr. 20:

Příklady časových závislostí •

Případ A popisuje základní časovou notaci, kdy časové zpoždění je kratší než doba aktivity řídicí stavové proměnné. Časová proměnná bude generována.

24


Případ B popisuje situaci, kdy zpoždění je delší než doba aktivity řídicí stavové proměnné. Časová proměnná bude generována i po zániku řídicí stavové proměnné.

•

I když krok I je aktivní pouze přechodně (nestabilní situace), dojde ke změně z neaktivního do aktivního stavu, což je dostatečné ke spuštění časové prodlevy (Případ C: zvláštní varianta případu B, kde došlo k aktivaci kroku i po dobu kratší, než ∆).

•

Když nastanou dvě události různé od Xi v časovém intervalu kratším než ∆, je směrodatná poslední změna stavu, viz. případ D.

•

Jelikož je proměnná (t / i / ∆) proměnnou booleovskou, lze definovat událost ↑ (t / i / ∆).

3.5 Akce a výstupy Existují dvě hlavní kategorie akcí, jsou to úrovňové a impulsní akce. Oba typy akcí se liší logikou provádění. Následující kapitoly popisují typy jednotlivých akcí. 3.5.1

Úrovňové akce

Tato akce je modelována booleovskou proměnnou. Akce může být podmíněná, nebo nepodmíněná. Nepodmíněná úrovňová akce je prováděna tak dlouho, dokud je příslušný krok aktivní, tj. že časově výstupní proměnná kopíruje příslušnou stavovou proměnnou korespondujícího kroku. Podmíněná úrovňová akce se chová obdobě jako klasická úrovňová akce s tím rozdílem, že její platnost je omezena platností ještě další logické proměnné. Výstupní proměnná je aktivní za předpokladu, že příslušný krok je aktivní a zároveň podmiňující proměnná je ve stavu TRUE. Oba typy úrovňových akcí demonstruje Obr. 21.


R1

1 (1)

R2

R1 2

(2)

Valve V open

(4)

R4

R3 Valve W open if a R4

0 1 0

1 X2 0

R3

3

4

1

1 Valve V open 0

R2

(3)

25

1 0 1 0

1 X2 0 1 a 0 1 Valve W open 0

Obr. 21: 3.5.2

Nepodmíněná a podmíněná úrovňová akce

Úrovňové akce – rozšířené možnosti podmíněných akcí

Podmíněná úrovňová akce může být podmíněna jakoukoliv binární proměnnou. Touto proměnnou může být ve smyslu definice i stavová proměnná jakéhokoliv kroku, a to i kroku z jiného nezávislého GRAFCETu. Stejně tak může být podmiňující proměnou časová proměnná, která je rovněž binární. Tyto dva příklady popisuje Obr. 22.

26


7 R5

5 (5)

R6

R5 Valve Y open if X7

6 (6)

1 0 1 0

1 X6 0 1 X7 0

R6

1 Valve Y open 0

R8

8 (8)

R9

R8 Valve Z open if (t/9/10 sec)

9 (9)

1 0 1 0

1 X9 0 1 (t/9/10 sec) 0

R9

10 sec

1 Valve Z open 0

Obr. 22:

Další možnosti podmíněných úrovňových akcí

3.5.3 Úrovňová akce v nestabilní situaci Akce nastavení úrovně nemůže mít nekonečně krátké trvání. Pokud token projde krokem v nekonečně krátkém okamžiku, potom korespondující úrovňová akce nebude generována. Tuto situaci demonstruje Obr. 23. Jelikož podmínka R9 časově předchází podmínku R8, potom tokem projede krokem 9 v nekonečně krátkém okamžiku. Tomuto stavu říkáme nestabilní situace. R8

8 (8) 9 (9)

R9

R8 Valve V open

0 1 0

1 X9 0 1 Valve V open 0

R9

Obr. 23:

1

Úrovňová akce v nestabilní situaci

Poznámka:


27

Úrovňová akce má z definice konečnou dobu trvání (případně nekonečně dlouhou dobu trvání). Jinými slovy tato akce s nekonečně krátkou dobou trvání nemůže existovat, jelikož by neměla žádný význam. To znamená, že tato akce je definována pouze pro stabilní situace. 3.5.4

Impulsní akce R1

1 (1)

R2

R1 2

(2)

(4)

1 0

1 R4 0

3

1 X2 0

R3 4

0

1 R3 0

Open valve V R2

(3)

1

Shut valve V R4

1 X4 0 1 Open valve V 0 1 Shut valve V 0 1 Valve V open 0

Obr. 24:

Impulsní akce

Impulsní akce slouží ke změně hodnoty diskrétní proměnné. Tato proměnná může, ale nemusí být booleovského typu (může to být např. hodnota čítače). Impulsní akce spojená s krokem je vykonána ihned jakmile tento krok přejde z neaktivního stavu do aktivního stavu, bez ohledu na dobu setrvání v aktivním stavu. Lze říci, že impulsní akci je možné chápat jako vyslání pokynu (udělejte toto …), zatímco akce nastavení úrovně lze chápat jako změnu stavu.

3.6 Receptivita Nadefinujme nyní pojmy externí a interních proměnná: •

Externí proměnná je booleovská proměnná, která vychází z podnětů od: 1) řízeného procesu,

nebo 2) vnějšího světa (od operátora, jiného systému, apod.), nebo 3) se jedná o proměnnou typu t / i / ∆, která je vztažená k toku času. •

Interní proměnná je booleovská proměnná, která vychází ze: 1) situace GRAFCETu (např. proměnná X5), nebo

nebo 2) ze stavu výkonné sekce řídicího systému (např. b = 1, jestliže čítač C má hodnotu vyšší, než 10).

28

FEKT Vysokého učení technického v Brně Věta 3.9:

3.6.1

Receptivita může být jak logickou podmínkou, externí událostí, nebo událostí s podmínkou.

Podmínky Podmínka označovaná Ci je booleovskou funkcí externích a interních proměnných,

např.: C1 = a + b ⋅ X 4

3.6.2

C 2 = (t / 4 / 10 sec) + b ⋅ c

nebo

Události

Události označované Ei jsou nástupné nebo sestupné hrany externích proměnných (nebo externích funkcí), např.: E 3 =↑ a 3.6.3

nebo

E 4 =↓ (a + b) nebo

E 5 =↑ (t / 8 / 10 min)

Událost s podmínkou – Receptivity

Událostí může být například vzestupná hrana ↑ a podmínkou může být např. výraz (b + X3). Spojením nám vznikne: R 6 =↑ a ⋅ (b + X 3) Tento poslední, třetí příklad je nejobecnější, předchozí dva příklady je možné chápat jako partikulární příklady. Receptivitu můžeme kdykoliv zapsat jako:

Ri = Ei ⋅ Ci 3.7 Příklady popisu GRAFCETem Příklad 3.2: Nakládání vozíku Vozík se pohybuje mezi body A a B. V bodě A může operátor požádat o dodání vozíku, který má být naložen. Vozík pokračuje do bodu B. V okamžiku příjezdu je vozík naložen otevřením násypníku.. Když je nakládání dokončeno, je násypník uzavřen a vozík se vrací do bodu A, kde je jeho náklad zpracován. Na další cestu vyrazí po té, co operátor opět požádá o naložení vozíku. V počátečním stavu je vozík v bodě A. Loading request

Loading m

Load utilization

Z

A

B

a

L

R

b p

Functional description

Logic description


29

Vstupy PLC

Vystupy PLC

m a b p

Logic controller

a

L (4)

Processing Section (carriage, hopper, ...)

(3)

4

p

Z 3

b a b p

R L Z

(2)

2

Obr. 25:

Příklad 3.3:

Arrival at left

Coming back to the left

(4)

4

End of loading (3)

(2)

3

Loading

Arrival at right

Movement to the right 2

Loading request (1)

1

Load utilization and/or waiting at A

m

Control Section (logic controller)

(1)

1

m

R

to be carried out

R L Z

Nakládání vozíku

Popis vykonávání programu:

•

Po spuštění programu je aktivní krok 1 (X1=1).

•

Po stisknutí tlačítka m je deaktivován krok 1 (X1=0) a aktivován krok 2 (X2=1). Krok 2 aktivuje úrovňovou akci R (R=1, akční zásah pro jízdu vozíku doprava).

30


V okamžiku, kdy vozík přijede doprava (b=1) je ukončen krok 2 (X2=0) a vypne se úrovňová akce R (R=0). Aktivuje se krok 3 (X3=1) a spustí se úrovňová akce Z (Z=1), která otevře násypku a dochází k plnění vozíku.

•

V okamžiku sepnutí čidla váhy (p=1) dojde k ukončení kroku 3 (X3=0) a ukončí se úrovňová akce Z (Z=0). Uzavře se násypka. Aktivuje se krok 4 (X4=1) a spustí se úrovňová akce L (L=1) pohonu vozíku vlevo.

•

V okamžiku příjezdu vozíku na čidlo polohy vpravo (a=1) je ukončen krok 4 (X4=0) a ukončí se pojezd doleva (L=0). Aktivuje se krok 1 (X1=1) a algoritmus pokračujem od začátku.

Příklad 3.4: Dělička dvěmi Systém má vstup a a výstup S. Na obrázku je příslušný časový diagram. V počátečním stavu je a = S = 0. Po každé, když se proměnná a změní ze stavu 0 do stavu 1, tak výstup S změní svůj stav. Initial time a

Specified system

m

S

S

Time

1 0 1 0

1 ↑a 0

1 (1)

14 a

2 (2)

23

S a

3 (3)

↑a

(1)

(2)

S ↑a

S a

4 (4)

Obr. 26:

a

Příklad 3.5:

Dělička dvěmi

Příklad 3.6: Pohybující se vůz V počátečním stavu je vůz nalevo, tedy v bodě A. Když dojde ke stisknutí tlačítka m, vůz vyrazí doprava a po dosažení bodu B se vrazí zpět do bodu A, kde zastaví. Když vůz přijede do bodu A, tak nevyráží znovu k bodu B, a to ani v případě, že je tlačítko drženo ve stisknutém stavu. K bodu B vyráží pouze v okamžiku stisknutí tlačítka.


31

m

L

a

R

b

A

B 1 (1)

Pressing m 2

(2)

Obr. 27:

2

Motion to right side (2)

Carriage arrived at the left side (A)

R b

3

Motion to left side

Příklad 3.7:

↑m

(1)

Carriage arrived at the right side (B) 3

(3)

1

(3)

L a

Pohybující se vůz

Příklad 3.8: Plnění nádrží Obě nádrže jsou používány k podobnému účelu. Nádrž 1 je považována za prázdnou, když hladina je nižší než b1 a tedy proměnná b1 = 0. Naopak nádrž 1 je plná, když hladina je vyšší, než h1 a tedy proměnná h1 = 1. V počátečním stavu jsou obě nádrže prázdné. Když dojde ke stisknutí tlačítka m, započnou se obě nádrže plnit otevřením ventilů V1 a V2. Když je nádrž plná, tak dojde k zastavení plnění uzavřením příslušného ventilu. Po naplnění nádrže je obsah nádrže vypuštěn do procesu otevřením ventilu Wi. Když dojde k vyprázdnění nádrže i, dojde k uzavření ventilu Wi. Plnění může být zahájeno pouze po úplném vyprázdnění obou nádrží, plnící proces je zahájen tlačítkem m. Bude presentováno několik GRAFCETů, které vyhoví výše uvedenému zadání. Akce, které souvisí s ventily jsou akce úrovňové, tj. např. pro V1 = 1 je příslušný ventil otevřený, a je-li V1 = 0, je ventil uzavřený.

32


Reservoir m

V1

h1

V2 Tank 1

b1

h2

Tank 2

b2 W1

W2

Vi nebo Wi = 1

- ventil otevřen

bi nebo hi =1

- hladina zasahuje nad čidlo


33

1

4

7

↑m

(1)

↑m

(1) 2

5

V1

V2 2

h1

(2) 3

6

W1

W2

(2)

4

h2 W2 b2

(5)

=1

(6)

4

7 ↑ m·X7

(1')

b1

(3)

7

V2

6

W1

b2

(5)

(4)

h1 3

b1

(3)

5

V1

h2

(4)

1 ↑ m·X4

(1'')

↑m

(1)

·X7 2 h1

(2) 3 (3)

5

V1

h2

(4) 6

W1 b1

(5)

2

V2

h1

(2) W2

3

Příklad 3.9:

V2 h2

(4) 6

W1

W2

b2 (6)

Obr. 28:

5

V1

b1·b2

Plnění nádrží

4 Současný stav a budoucnost programovatelných automatů Jak již bylo na jiném místě těchto skript řečeno, PLC tvoří páteř řídicích systémů průmyslové automatizace po dobu více než 20 let. Je proto logická otázka, kdy v konkurenci s dalšími, modernějšími řídicími systémy tuto roli ztratí. Nutno konstatovat, že se dosud všechny prognózy, předpovídající tento vývoj, ukázaly jako liché. I po roce 2000 jsou PLC stále nejvýznamnějším řídicím prostředkem pro řízení strojů, výrobních linek a ve značné míře i technologických procesů. Je to dáno především jejich jednoduchostí, vysokou spolehlivostí, tradicí i postavením nejvýznamnějších výrobců PLC (Siemens A.G., Allen –

34


Bradley, Schneider Group, ABB, Mitsubishi, Omron a dalších) na trhu automatizačních prostředků. Jaké automatizační prostředky jsou konkurenty programovatelných automatů a jakou mají v současné době a blízké budoucnosti naději na vytlačení PLC z vedoucího místa? Abychom tuto otázku mohli zodpovědět, musíme si nejprve říci něco o kategoriích PLC.

4.1 Kategorie PLC Programovatelné automaty se dělí do několika kategorií, které se navzájem liší především počtem vstupů a výstupů, které je PLC dané kategorie schopen obsloužit. V současné době se terminologie ustálila na následující klasifikační stupnici PLC: •

velmi malé

•

malé

•

střední

•

velké

Jiné dělení PLC je zásadní dělení dle flexibility počtu vstupů a výstupů (a speciálních funkcí PLC) a umožňuje dělit PLC na •

kompaktní

•

modulární

Současný i budoucí statut PLC se liší podle toho, do které kategorie daný PLC patří. Vývoj ukázal, že velké PLC s více než 2056 vstupy a výstupy, obsluhovanými jedním procesorem jsou i pro řešení pouze logického řízení jsou nevhodné a nejsou konkurence schopné. Rozvoj sériových komunikačních sítí dále prokázal zbytečnost tak vysoké centralizace řídicího výpočetního výkonu do jediného procesoru. Proto stávající velké PLC (reprezentantem je kupř. Simatic S7-400 firmy Siemens) mají sice možnost rozšířit počet vstupů a výstupů pomocí rozšiřujících modulů, prostřednictvím paralelního propojení, ale preferují vzájemné propojení S7-400 prostřednictvím rychlých sériových komunikačních sběrnic jako Profibus a Ethernet TCP/IP. Další kategorie – středních PLC (reprezentantem je kupř. Simatic S7-300) je stále hlavním automatizačním řídicím členem. Jde o modulární koncepci, kde v základním modulu jsou soustavou paralelních i sériových sběrnic propojen modul CPU s vestavěnou operační pamětí a pamětí vstupních, výstupních a vnitřních proměnných s dalšími moduly jako jsou moduly digitálních vstupů, digitálních výstupů, analogových vstupů, analogových výstupů a další moduly. Spolu s rozšiřujícími moduly ( propojenými paralelně k základnímu modulu) mohou obsloužit více než 1028 vstupů a výstupů. Malé automaty slouží pro menší aplikace, v kompaktní versi disponují max. 100 - 300 vstupy a výstupy, s pevně daným počtem a skladbou vstupů, výstupů, sériových a paralelních rozhraní a implementovaných komunikačních protokolů. Nebo jsou v modulárním provedení s možností rozšíření základního modulu o rozšiřující moduly (propojené jak paralelními, tak sériovými sběrnicemi) opět na max. počet kolem 300 vstupů a výstupů (reprezentantem může být Modicon TSX 37 a další). Tyto automaty budou patrně brzo nahrazeny opět průmyslovými PC. Velmi malé automaty jsou zpravidla v kompaktním provedení a jsou náhradou relé a bezkontaktní logiky. Mají podobně jako větší PLC dobře propracovaný HW, který je odolný


35

proti rušení a nasazení těchto řídicích členů je jednoduché a rychlé. Mají pevný počet vstupů a výstupů a to zpravidla výlučně digitálních. Analogové výstupy se realizují pro pomalé řízené procesy ( jako jsou tepelné procesy) pulsně šířkovou modulací digitálních výstupů. Jsou i poměrně levné, mívají vlastní jednoduchý programovací jazyk, často i grafický (LD, SFC apod.). Bývají vybaveny jednoduchým komunikačním rozhraním, programují se z vlastní HW konzoly nebo z panelu a vždy z PC přes RS 232. Nebývají zatím přímo připojitelné na Ethernet TCP/IP a tím na internet, ale je to jen otázka času. Přetrvají jako jednoduché řídicí jednotky ještě velmi dlouho.

4.2 Konkurenti programovatelných automatů Jak již víme, programovatelné automaty PLC nahradily reléovou a bezkontaktní logiku. Z této strany jim nehrozí žádná vážná konkurence, to byl historický vývoj techniky, který se ukázal více než životaschopným. S vývojem mikroelektroniky však PLC významně překročily původně předpokládaný rozsah své působnosti a v jisté době ( ale i v současnosti) tvoří konkurenci distribuovaným systémům pro řízení procesů (DCS – Distributed Control Systems). V průběhu poslední desítky let ustoupila do pozadí koncepce velkých PLC, řazených do pyramidové hierarchické řídicí struktury, kterou se PLC snažily konkurovat distribuovaným řídicím systémů, postaveným na bázi řídicích počítačů. Programové prostředí ani velkých PLC nikdy nedisponovalo potřebným programovacím a projekčním komfortem v takové míře, v jaké je poskytují DCS. Tedy DCS byla a jsou nadále nejvážnějším konkurentem velkých PLC pro řízení velkých celků. O DCS bude stručně pojednáno v následující kapitole. Dalším konkurentem PLC a to jak velkých, tak středních, jsou průmyslová PC, označovaná jako IPC (Industrial PC). Není pochyby o tom, že v průběhu dalších let vytlačí ve velké míře právě IPC programovatelné automaty z jejich dominantního postavení. Mají výhodu ve snadné a přirozené připojitelnosti PLC k Ethernetu TCP/IP, a tím k Internetu. Dále ve velmi krátkém inovačním cyklu implementace stále výkonnějších procesorů a dalších mikroelektronických součástek, v nízké ceně za HW, v dokonalejším operačním systému, ve snadné implementaci vyšších programovacích jazyků a tím i možnosti programovat jak systém logického řízení, tak dynamickou optimalizaci i grafiku a HMI (Human – Machine – Interface). Nicméně právě tento dokonalejší operační systém zatím nevykazuje potřebnou spolehlivost při řízení v reálném čase, takže spotřebitelé dávají v mnoha případech stále přednost programovatelným automatům před zdánlivě levnějšími, modernějšími, flexibilnějšími IPC. Dalším konkurentem PLC jsou totálně distribuované systémy. Tak se někdy označují vestavěné (embedded) systémy a prostředky průmyslové automatizace (čidla, elektronické jednotky pohonů, další elektrické, pneumatické i hydraulické akční členy, čítače, časovače, průmyslové regulátory, průmyslové kamery, analyzátory fyzikálních veličin a další prostředky. Vestavěné jsou ve smyslu vestavěné inteligence (mikrořadiče s příslušnou pamětí, systémovými i uživatelskými programy) přímo do jednotlivých fyzikálních realizací, tj. do čidel, elektronických řídicích jednotek akčních členů, analyzátorů, atd. Tato totálně distribuovaná automatizace postrádá zpravidla centrální nebo decentralizovaný řídicí člen (kupř. PLC), neboť řídicím systémem je celé toto distribuované prostředí. Nejvýznamnějším prostředkem tohoto systému jsou sériové komunikační sběrnice. Ty umožňují přímou vzájemnou komunikaci mezi sběrem dat z procesu a jejich přetvořením na akční zásah, který bude adekvátní a včasnou reakcí na situaci na výstupech procesu a povede k ovládání, stabilizaci, programovému řízení, statické nebo dynamické optimalizaci apod. Zpracování měřených signálů, linearizace a další úpravy (signal processing) se provádějí v mikrořadičích, vestavěných do sensorů nebo koncentrátorů dat (datalogger), případně procesorů

36


distribuovaných jednotek vstupů/výstupů. Výpočet řídicích algoritmů a generování akčních veličin (binárních i analogových) pro ovládání ventilů, klapek, pohonů, elektrických topných elementů, dávkovačů, dopravníků, a dalších akčních elementů, včetně speciálních, se pak provádí v mikrořadičích, vestavěných do těchto akčních zařízení. Vzájemnou spolehlivou, včasnou a současnou komunikaci (real – time communication) zajišťují průmyslové sériové komunikační podsystémy jako jsou průmyslové sběrnice kategorie sensorová sběrnice (sensor bus, používaná i pro připojení akčních členů, tedy actuator bus), sběrnice pro připojení složitějších přístrojů (device bus) a sériová sběrnice pro připojení větších řídicích jednotek, HMI systémů a případných nadřízených systémů (fieldbus). V poslední době je tato kolekce prostředků nejen totálně distribuovaných systémů doplněna nejrozšířenější lokální sběrnicí Ethernetem TCP/IP. Tato sběrnice pak umožňuje velmi snadný (a tím však pro systémy průmyslové automatizace i nebezpečně snadný) přístup z internetu do sledování procesu a do jeho případného nepřípustného ovlivňování. Nejbližším konkurentem klasických PLC, jak kompaktních, tak modulárních jsou v této chvíli systémy softwarového logického řízení, tzv. Slot PLC a Soft PLC.

4.3 Slot PLC a Soft PLC Během doby se ustálily dvě základní kategorie SW programovatelných automatů. Jedná se o tzv. SLOT PLC a SOFT PLC. Zatímco filosofie SLOT PLC vychází z toho, že PC není z podstaty určeno pro řízení v nejobtížnějších podmínkách při stále se zvyšujících nárocích na spolehlivost řídicího systému, druhá kategorie PC orientovaných PLC vychází z toho, že vývoj elektroniky a operačních systémů povede k dosažení dostatečné spolehlivost PC jako systému bezprostředního řízení. Soft PLC realizuje SW emulaci PLC čistě programovými prostředky při HW podpoře tohoto záměru. Využívá CPU osobního počítače a propojení na proces realizuje vstupními/výstupními moduly, umístěnými na vnitřní sběrnici PC. Z důvodů zvýšení spolehlivosti je nutné používat minimálně operační systémy na spolehlivostní úrovni Windows NT, Windows CE. První kategorie (SLOT PLC) naopak vychází ze spojení spolehlivosti PLC a komfortu PC. Do vnitřní sběrnice ISA nebo PCI umísťuje samostatné karty, na kterých je obvodově vytvořeno PLC s vlastní CPU a vlastním, pro PLC nejvhodnějším operačním systémem reálného času. Samotné PC pak může běžet pod i méně stabilním operačním systémem, s kartou PLC komunikuje standardními SW rozhraními v prostředí Windows. V přehledu Tab. 1 [ 2 ], [ 3 ] uveďme srovnání některých parametrů a vlastností obou kategorií, jejich přednosti a nevýhody. Sledovaná vlastnost Výhody

Nevýhody

Fieldbus

Slot PLC spolehlivost real-time OS říd. program běží na samostatném PLC vizualizace, progr. prostř. na PC nepřetržitý běh okamžitý náběh autom. restart program. jazyky PLC heterogenní systém vyšší cena HW různé programování logické a spojité úrovně řízení Profibus

Soft PLC kompaktní celek využití jednotného SW prostředí jednoduchost využití SCADA využití LANů podpora standardů nižší cena nižší spolehl. HW nižší spolehl. SW vyšší cena SW cena robustního provedení Ethernet

Programovatelné automaty Sledovaná vlastnost

Oper. systém PC (pro program.)

Oper. Systém na kartě Procesory na kartě Procesory v PC Programovací SW

Programovací jazyky Schopnost běhu při poruše PC a HD Nějaké formy diagnostiky WEB stránky

37 Slot PLC CAN DeviceNet Interbus další DOS Windows 3.1 Windows 95 Windows 98 Windows NT DOS OS9 Spec. RT 486, 586, Pentium 486, 586, Pentium Step 5, Step 7 IEC 1131 vlastní IL, FBD, SFC Ladder IEC 1131 ANO ANO omezeně

Soft PLC CAN Profibus Interbus další Windows CE Windows NT

Windows CE Windows NT RTOS Pentium Step 5, Step 7 IEC 1131 VisualBasic VisualC, C++ VisualC, C++ Step IEC 1131 NE ANO ano

Přehled parametrů Slot PLC a Soft PLC.

Tab. 1:

Průmyslová PC se vyrábějí v několika provedeních: na DIN lištu v provedení do rozvaděče •

kompaktní provedení IPC (stand alone)

•

stavebnice PC 104

•

stavebnice DIMM PC

Díky své universalitě a flexibilitě a programování ve vyšších programovacích jazycích, umožňuje řešení s IPC snadné využití neutrálních SCADA (Supervizory Control and Data Acquisition System) pro přímé i nadřazené řízení. Dále umožňuje snadné propojování jednotlivých IPC navzájem mezi sebou a s vyššími i nižšími hierarchickými úrovněmi a je nejlépe připraveno na vývoj v oblasti komunikace pomocí průmyslového Ethernetu.

4.4 Příklad použití IPC Vzhledem k flexibilitě IPC, nabízí se i možnost kombinování PLC funkcí a CNC funkcí v jednom nebo několika IPC. Takovým způsobem je pak možné projektovat kupř. pružné výrobní buňky (cells). Právě zde je možné hledat uplatnění IPC v největší a nejefektivnější míře.

38


Obr. 29:

Příklad IPC pro řízení výrobní buňky

Obr. 30:

Konfigurace IPC pro PLC a CNC řízení výrobní buňky

Na Obr. 31 je znázorněno SW vybavení IPC pro účely řízení výrobní buňky. Vzhledem k velkému rušení jsou jednotlivé periferní moduly (umístěné přímo na strojích výrobní buňky) propojeny světlovodičem. Zde použitý [ 4 ] LightBus pracuje s rychlostí 2,5 Mbitů/s. Při použití skleněného vlákna je povolená vzdálenost mezi moduly 600m, pro plastikový světlovodič to činí jen 45 m. Pro takovou aplikaci je nezbytně nutné použít nějaký systém, integrující jak CNC řízení výrobních strojů, tak nezávislý řídicí systém kupř. robota, tak PLC řízení některých spolupracujících strojů (dopravníky, signalizace, řízení vrtání, stavění dopravních cest linky apod.). Průmyslové PC toto může integrovat v jeden systém snáze a s nižšími náklady, než by to bylo možné realizovat z HW nezávislých PLC a CNC. Předpokladem pro to je SW vybavení IPC, které obsahuje jednak: •

real-time kernel pro PLC a CNC programy

•

multitasking a multiuser operační systém

•

vyšší programovací jazyky pro nadřazené řízení

•

programové prostředí pro PLC a CNC programování

•

aplikační SW pro PLC a CNC řízení


39

SW vybavení IPC pro účely řízení výrobní buňky

Obr. 31:

Řídicí pracoviště dále musí umožnit připojení periferií pro rychlý vstup údajů pro výrobu (scanner) a výstup pro tisk protokolů atd. Rovněž může být vybaveno telefonním modemem pro případ hlášení poruch apod. Propojení s nadřazenou databází standardním Ethernetem je přirozeným vybavením každého PC. Pro práci řídicího systému (mikropočítačového systému) v reálném čase jsou nezbytné tyto vlastnosti: •

hodiny reálného času

•

přerušovací systém

4.5 Otázky ke kapitole 4 1) Podle kterých hledisek dělíme PLC? Proveďte rozdělení PLC podle těchto dvou nejběžnější hledisek. 2) Vyjmenujte konkurenční systémy k stávajícím PLC. Proveďte stručnou charakteristiku těchto konkurentů. 3) Co to je Slot PLC, uveďte charakteristiku SLOT PLC, výhody a nevýhody tohoto řešení a perspektivu jejich použití? 4) Co to je Soft PLC, uveďte charakteristiku Soft PLC, výhody a nevýhody tohoto řešení a perspektivu jejich použití? 5) Co to je IPC, jaký je vztah IPCV k Slot a Soft PLC? Uveďte příklad SW vybavení IPC. 6) Nakreslete blokové schéma typického příkladu nasazení IPC.

40


5 Komunikační podsystém PLC Jako každý počítač, tak i PLC musí být vybaven vnitřními i vnějšími komunikačními kanály, pro přenos dat, adres a řídicích signálů. Čím větší je decentralizace celého automatizačního systému, tím větší důraz je kladen právě na komunikační podsystém. V začátcích mikropočítačově orientovaných CPU byly PLC vybaveny především vnitřními paralelními sběrnicemi, souvisejícími s HW řešením mikropočítačově orientované CPU. U modulárních PLC se každý modul připojil na systém tímto jednotným vnitřním komunikačním podsystémem. Rozšiřující vany se pak prostřednictvím opakovačů (zesilovačů) a krátkými (při centralizované architektuře) nebo delšími spojkami (mnohožilovými kabely) propojovaly s centrální vanou a tím s procesorovou jednotkou, paměťovým modulem, komunikačním modulem a dalšími (Obr. 6.1). Současně probíhal vývoj sériových sběrnic pro sériové propojení centrální vany a periferních jednotek (Obr. 6.2). Od samého počátku byly střední a velké PLC vybaveny sériovými sběrnicemi pro vzájemné propojení dvou nebo několika PLC mezi sebou za účelem záskoku nebo předávání žádaných hodnot regulačních obvodů apod. Příkladem může být systém Simatic S5 z poloviny 80. let, který disponoval jak paralelními sběrnicemi pro propojení rozšiřujících van v centralizované i decentralizované architektuře, tak pomalou sériovou sběrnicí L1 s rychlostí do 19,6 bitů/s, umožňující propojit až 32 programovatelných automatů na vzdálenost kolem 50 km s elektrickým rozhraním proudová smyčka nebo později napěťové rozhraní RS 485 (obr. 6.3). Kromě toho mohly být tyto automaty vybaveny rychlou sériovou sběrnicí H1, kompatibilní s nejrozšířenější lokální sítí Ethernet TCP/IP a s rychlostí 10 Mbit/s na tlustém koaxiálním kabelu s krátkými přípojkami. V současné době je stále více automatu volitelně vybavováno moduly pro připojení periferních jednotek vstupů/výstupů. Jde o mezinárodně standardizované na průmyslové komunikační sítě Profibus DP a Profibus PA, CAN, CANopen, LonTalk, Interbus a další. Jiní výrobci zůstávají u svých (proprietárních) řešení průmyslových sériových komunikačních podsystémů jako je DeviceNet a ControlNet (Rockwell), SDS (Honeywell), Modbus (Modicon) apod. Jednoduché sériové sítě (sensor/actor bus) a protokoly umožňují připojit k automatům, vybaveným příslušnými rozhraními a komunikačními procesory, rovněž jednotlivá čidla a jednotlivé akční členy nebo mikrořadičové jednotky, umožňující rychlou sériovou komunikaci několika čidlům nebo výstupním binárním i analogovým členům. V tom případě se jedná o mezinárodních standardy AS-interface, HART, Interbus.

5.1 Sériové komunikační sběrnice PLC 5.1.1

Úvod do sériových komunikací

Je skutečností, že s ohledem na příznivý vývoj mikroelektroniky, není důvodu nevybavit instrumentaci mikrořadiči (cena mikroelektroniky v inteligentní instrumentaci nehraje dominantní roli), umožňujícími předzpracování procesních dat (filtrace a další "signal processing"). Pro takové řešení je pak realizace sériového komunikačního kanálu přirozeným doplněním jeho funkce. Převažujícím způsobem propojení na úrovni procesu byla dosud proudová smyčka 0 až 20 mA, schematicky zobrazená na Obr. 32, Obr. 33. Její největší předností byla odolnost proti rušení při malých rychlostech a vzdálenostech až stovky metrů. Nevýhodou je jen dvoubodové propojení (tedy ke každému čidlu a akčnímu členu je nutné instalovat dvoudrátový spoj) a malá rychlost přenosu signálu, která vyhovovala sice pro dvoubodový


41

spoj, nebyla by však dostatečná pro sériový mnohabodový spoj. Dodnes se však u některých aplikací používá pod označením TTY. Ve většině případů však byla z výše uvedených důvodů vytlačena napěťovými rozhraními, která se obecně vyznačují vyššími přenosovými rychlostmi a jednodušším zapojením při tvorbě mnohobodového spoje a jak potvrzuje praxe i vyšší odolností proti rušení.

Obr. 32:

Proudová smyčka 0-20mA s galvanický oddělením a napájením ze strany vysílače

Obr. 33:

Jiné zapojení proudové smyčky 0-20mA

Nejprve šlo opět o dvoubodový sériový interface RS 232C a krátce na to o mnohonásobně výkonnější RS 422 (symetrický spoj, plný duplex) a RS 423 (asymetrický

42


duplex). Jako další úspěšné řešení se prosadilo rozhraní RS 485, umožňující dvouvodičový nebo 4 vodičový plný duplex a vysokou rychlost přenosu.

Obr. 34:

Rozhraní RS 422

Na Obr. 34 je uvedeno zapojení rozhraní RS 422, na Obr. 35 rozhraní RS 423 a na Obr. 36 zjednodušené zapojení RS 485. Na Obr. 37 pak jsou uvedeny grafy závislosti přenosové rychlosti jednotlivých řešení na délce spoje.

Obr. 35:

Zapojení RS 423

Obr. 36:

Zapojení RS 485

5.1.2

ISO/OSI model

Komplexně se problematikou digitální komunikace zabývá OSI ISO model, neboli model otevřených komunikujících systémů, definovaný mezinárodní standardizační organizací ISO již v r. 1984 jako norma ISO 7498. Tento model definuje podmínky, při jejichž dodržení mohou různí účastníci přenosu spolehlivě komunikovat navzájem mezi sebou. Protože se jedná o model obecného přenosu zpráv, není sám o sobě jednoduchý. Jeho struktura je patrná z Obr. 38.


Obr. 37:

43

Srovnání komunikačních standardů

Obr. 38 znázorňuje, jak se tvoří zpráva, kterou odesílá účastník A účastníkovi B a zároveň, jak účastník B tuto zprávu přijímá. Vlastní přenos se uskutečňuje prostřednictvím fyzického spoje mezi dvěma nebo více účastníky přenosu. Důležité je, že oba účastníci (peers) přenosu mezi sebou tvoří na každé úrovni modelu virtuální spoje, zatímco reálný přenos dat je samozřejmě pouze v 1. fyzické vrstvě, která obsahuje m.j. rozhraní mezi účastníkem a přenosovým médiem. Virtuální spoj znamená, že účastníci, komunikující spolu na úrovni 7. vrstvy, t.j. kupř. elektronickou poštou, nemají zdání o funkcích vrstev 1 až 6. Každá vrstva má definovány dvě základní funkce. První jsou služby té vrstvy a druhá funkce je protokol vrstvy. Protokol je soubor pravidel, kterými se komunikace mezi účastníky přenosu řídí, t.j. jak lze zahájit přenos, jak ho provést a jak ho ukončit. Dosah každé vrstvy modelu je minimalizován na jednu vrstvu nejblíže vyšší a nejblíže nižší vlastní entity (účastníka) a na hierarchicky stejnou vrstvu jiného nebo jiných účastníků přenosu. Z dalšího Obr. 39 je zřejmé, jak probíhá přenos zpráv mezi jednotlivými vrstvami.

Obr. 38:

ISO/OSI model

44


Při vysílání zprávy, vyšší vrstva volá procedurou "call" vrstvu nejblíže nižší a naopak směrem nahoru poskytuje nižší vrstva svoje služby vrstvě vyšší. Uvnitř vrstvy se pak uskutečňuje funkce vrstvy a vlastní protokol té vrstvy. Při průchodu zprávy od 7. vrstvy až po vrstvu fyzickou, dochází k nabalování jednotlivých dat vlastního protokolu na originální zprávu. Tento proces je zobrazen Obr. 40. Je to maximalistická možnost, která nebývá využívána v uvedené míře. Ve většině případů není nutné využívat funkci všech vrstev modelu, takže dochází k redukci (SW) kupř. vrstev 3 a 4 a 6 a 7. Obecně se dá říci, že vrstvy 1 až 3 jsou vrstvy svázané s vlastním komunikačním procesem, zatímco vrstvy 5 až 7 úzce souvisejí s aplikačním SW. Transportní 4. vrstva tvoří přechod mezi těmito podsystémy.

Obr. 39:

Přenos zprávy mezi vrstvami OSI modelu

Obr. 40:

Fyzická tvorba paketu

5.1.3

Fyzický přenos

Při sériovém přenosu dat se informace přenášejí bit po bitu. Pokud jsou okamžiky přechodu od jednoho přenášeného bitu k dalšímu od sebe vždy stejně vzdáleny, jedná se o synchronní přenos. Jestliže toto není splněno, jedná se o asynchronní přenos. Při synchronním přenosu je často kromě datového signálu přenášen rovněž synchronizační signál, na jehož základě dochází k synchronizaci mezi vysílací stanicí a jednou nebo více přijímacími stanicemi. Zvláštním případem synchronního přenosu jsou kódy s vnitřní synchronizací, kdy synchronizace je zajištěna signálem, přenášejícím data. To se dá zajistit dostatečným počtem přechodů mezi úrovněmi log. "0"a log. "1" během přenosu jednoho znaku. Této podmínce vyhovují některé způsoby kódování signálu (kupř. Manchester) nebo některé přenosové protokoly, které využívají vkládání bitů (tzv. bit stuffing), jak je tomu kupř. u sběrnice CAN. Při přenosu dat asynchronním způsobem je předávání dat mezi vysílací stanicí a jednou nebo více přijímacími stanicemi obvykle zajištěno externími signály, které např. potvrzují, že data vyslaná na linku jsou připravena ke čtením přijímacími stanicemi nebo potvrzují, že přijímací stanice již data převzala. Zvláštním případem asynchronního přenosu je tzv. arytmický přenos dat, kdy se jednotlivé znaky přenášejí asynchronně, ale jednotlivé bity uvnitř znaku jsou přenášeny synchronně. Při arytmickém přenosu dat se synchronizace pro přenos bitu uvnitř jednoho znaku zajišťuje tak, že každý přenášený znak je doplněn tzv. rozběhovým prvkem. Za start bitem následují informační bity (datové bity přenášeného znaku) a po nich následuje tzv. závěrný prvek, nazývaný též stop bit. Ten někdy ještě předchází zabezpečovací - paritní


45

bit. Klidová úroveň přenosové linky mívá při asynchronním přenosu obvykle hodnotu log. "1". Jako start bit se používá přechod z klidového stavu log."1" do log."0" (na dobu bitového intervalu). Stop bit bývá log."1" po dobu jednoho nebo dvou bitových intervalů. Vlastní fyzický přenos dat se děje prostřednictvím přenosového média, což je v prostředí průmyslové automatizace zpravidla koaxiální kabel, kroucená dvoulinka nebo světlovodič a v současnosti se začíná prosazovat také bezdrátový přenos. Nejrozšířenějším médiem je stale kroucený dvouvodič. Koaxiální kabel byl velmi rozšířený v LAN, umožňuje komunikaci rychlostí nad 10 Mbitů/sec, avšak používal se dost i v průmyslových aplikacích. Třebaže kroucená dvoulinka nevykazuje dostatečnou odolnost proti rušení a rychlost přenosu je nižší, je populární pro svoji jednoduchost a nízkou cenu. Stíněná kroucená dvoulinka je předepsána u některých velmi rozšířených sériových sběrnic (Profibus). Optický kabel je přenosové médium, které se prosazuje a je často kombinováno s ostatními přenosovými médii (viz kupř. řešení sítí SINEC L2OP v systému SIMATIC S5 apod.). Používá se zejména v prostředí silného elektromagnetického rušení. Na fyzickém přenosu dat se dále podílejí fyzické vrstvy komunikujících účastníků sítě. Fyzická vrstva, jak již řečeno uskutečňuje vlastní přenos zprávy formou elektrického signálu a proto musí zaručit rozhraní mezi fyzickým spojem a linkovou vrstvou, kódování zprávy do formy změn napěťových (nebo proudových) impulsů, dekódování, případně modulování a demodulování takto binárně kódované zprávy. Pro vícenásobnou komunikaci (více než dva účastníci přenosu) se pro přenosové médium dvoudrát používá nejčastěji fyzické rozhraní RS 485, umožňující vysokou rychlost přenosu. ( a dvouvodičový poloduplexní nebo čtyřdrátový duplexní přenos dat.) Zpráva ve formě bitově kódované sekvence impulsů se přenáší následujícím způsobem: •

přímo v základním pásmu

•

frekvenčně v základním pásmu

•

namodulovaná na nosný vf signál, t.j. širokopásmově

Frekvenční přenos v základním pásmu může být řešen kupř. [ 5 ] způsobem z Obr. 41.

Obr. 41:

Přenos v základním pásmu

Úroveň log 0 je reprezentována frekvencí f1 a úroveň log1 kupř. frekvencí f2. V plném duplexu se na obou stranách spoje nachází modem (modulator/demodulátor), který provádí modulaci a demodulaci zprávy kupř. takto: dotaz: log1 1.270 odpověď: log1 2.225 Hz Hz log0 1.070 log0 2.025 Hz Hz Co se týká kódování proudu bitů, v prostředí sítí se používá kódování NRZ, RZ, Manchester II, Diferencial Manchester, Obr. 42.

46


Obr. 42:

Kódování signálu

Pokud je takto kódovaný signál přenášen v základním pásmu, šířka přenosového pásma je určena rychlostí přenosu. Avšak i v průmyslových sítích se může použít širokopásmový přenos, který předpokládá namodulování digitálně kódovaného signálu, některým z výše uvedených způsobů, na nosný vf signál. Používají se především fázová a frekvenční modulace. Pro zabezpečení přenosu kódovaného signálu je nutná jeho synchronizace. Druhá možnost je asynchronní přenos zpráv (Obr. 43).

Obr. 43: 5.1.4

Synchronní a asynchronní přenos zpráv

Výměna dat mezi jednotlivými účastníky

Přístup účastníků sítě ke společnému přenosovému médiu je na jedné straně určen fyzicky - rozhraním (kupř. RS 485), zaručujícím tento spoj fyzicky - jednak funkcí dolní podvrstvy 2. vrstvy modelu ISO/OSI. Přístup více účastníků k médiu se nazývá multiplexování a všeobecně se používají dva druhy multiplexingu. Časový (TDM) a frekvenční (FDM) (Obr. 44).


47

TDM a FDM

Obr. 44:

Časový multiplexing předpokládá synchronizaci přenosu zpráv. Každý z účastníků má přidělený určitý časový interval uvnitř přenosového cyklu. V době tohoto intervalu má právo vysílat svoji zprávu do média. Čas jednotlivých účastníků musí být synchronizován hodinovými impulsy. Frekvenční multiplex přiděluje každému účastníku jeho frekvenční pásmo po celou dobu cyklu. Frekvenční multiplex není jediným asynchronním způsobem přenosu zpráv, naopak časový a frekvenční multiplex jsou méně používané přístupové metody, než přístupové metody, vyvinuté zejména pro potřeby lokálních počítačových sítí LAN. 5.1.5

Synchronní a asynchronní přenos dat

Klasické asynchronní přenosové protokoly lze rozdělit na

Obr. 45:

•

znakově orientované (Obr. 45)

•

bitově orientované

•

blokově orientované

Znakově orientovaný přenos

Znakově orientované metody jsou velmi jednoduché. Jejich společným rysem je , že se snaží přenášet každý byte nezávisle. Každý datový byte zprávy je pak zahájen start bitem a ukončen stop bitem. Tento způsob se používá v telegrafii, v telefonních modemech apod. Je jednoduchý, avšak pomalý a méně efektivní (start, stop a paritní bit ke každému byte). Bitově orientované přenosové metody vycházejí z toho, že se přenáší různě dlouhý řetězec bitů zprávy najednou. Z klasických metod tohoto typu se jedná o metodu SDLC (synchronous data link control) firmy IBM a jí podobné metody používané jinými firmami. V automatizaci více používaná je metoda HDLC (high-data link control). Tento protokol je

48


standardizován organizací ISO a slouží jako srovnávací protokol pro jiné typy protokolů linkové vrstvy. Formát rámce HDLC je ukázán na Obr. 46.

Rámec HDLC

Obr. 46:

Rámec je zahájen startovací posloupností 6 jedničkami mezi dvěma nulami a stejnou posloupností je i ukončen. Vzhledem k tomu, že ve vlastní zprávě často dochází k podobné posloupnosti a přijímací stanice by ji mohla vyhodnotit jako ukončení přenosu rámce HDLC, používá se pro kódování zprávy metoda vkládání nuly, tj. v datové posloupnosti , ve které se vyskytne 5 jedniček za sebou se za pátou jedničku vkládá nula a teprve pak se pokračuje další jedničkou. Dekodér nadbytečnou nulu vyřadí ze zprávy. Adresové pole se využívá, má-li více stanic zprávu přijímat. Kontrolní posloupnost indikuje typ zprávy. Informační část rámce nese vlastní data. Supervizory část slouží pro odpověď přijímacího uzlu o ztrátě přijímané informace. CRC je zabezpečovací část rámce, vypočítávaná z polynomu CRC.

Blokově orientovaný přenos

Obr. 47:

Blokově nebo též bytově orientované přenosové metody vycházejí z toho, že jednotlivé byte jsou soustředěny do bloků a každý blok je ohraničen speciálními kontrolními znaky jako SOH (start of header), SYN (synchronization), STX (start of text), ETX (end of text) a EOT (end of transmition). Každý přenos začíná SOH a STX a končí ETX a EOT. Několik synchronizačních znaků SYN na začátku přenosu slouží někdy k synchronizaci přijímacího uzlu. Jeden příklad možného blokového přenosu je na Obr. 47. 5.1.6

Přístupové metody v lokálních sítích

Kromě výše uvedených synchronních i asynchronních protokolů linkové vrstvy se v LAN používají ve velké míře přístupové metody, vyvinuté především pro lokální sítě. Lokální síť (včetně lokálních sítí ve výrobě) je zpravidla omezena svým rozsahem, vyžaduje se u ní vysoký stupeň zabezpečení dat a je určena pro velký počet účastníků přenosu. Pro zabezpečení přístupu jednotlivých účastníků k jedinému přenosovému kanálu se používají v zásadě dvě skupiny metod: •

metody náhodného přístupu

•

metody s definovaným přístupem

Tyto metody se dále ještě dělí na synchronní a asynchronní. Rozdělení sériových komunikačních sítí podle způsobu přístupu k přenosovému médiu je uvedeno na zjednodušeném Obr. 48.


49

5.2 Přehled průmyslových komunikačních sběrnic S programovatelnými automaty bezprostředně souvisí konkrétní realizace průmyslových komunikačních sběrnic. Na následujícím obrázku uvádíme jejich obvyklé rozdělení dle oblasti použití a objemu přenášených dat. Jak je patrné z Obr. 49 rozdělení sběrnic do jednotlivých kategorií není striktní. Jednotlivé kategorie se navzájem překrývají a některý standard nebo kvazistandard je možné proto zařadit do obou ze sousedních skupin. Tak kupř. Interbus je někdy charakterizován jako typický SensorBus, jindy je považován za DeviceBus (přenos po Bytech). Na druhé straně však by AS-interface nebo HART neměly být charakterizovány jako fieldbusy.

Obr. 48:

Přehled sériových komunikací

50


Obr. 49:

Rozdělení průmyslových sítí

V následujícím přehledu uvádíme názvy výkladu uveďme názvy nejpoužívanějších průmyslových sériových sběrnic: •

Foundation Fieldbus

•

Profibus FMS, DP, PA

•

FIP

•

P-Net

•

LonTalk

•

CAN

•

DeviceNet

•

CANopen

•

ControlNet

•

Modbus (J-bus)

•

Ethernet

•

Interbus

•

HART

•

BacNet

5.3 Profibus Profibus (Process Fieldbus) byl vyvinut s podporou několika významných německých firem pod koordinací DBFT (Deutsches Bundesministerium für Forschungs und Technik). Stal se německou normou DIN 19245. Pro potřebu sítí typu fieldbus i PROFIBUS implementuje pouze vrstvy 1, 2 a 7 modelu OSI. I když je podporován integrovanými obvody, umožňuje i svoji programovou implementaci na společných CPU. Fyzickým médiem je stíněná kroucená dvoulinka s rozhranním RS 485 s max. délkou 1200m (do 4800m s opakovači) nebo optické vlákno. Pro variantu PA pak proudová smyčka. Přenosová rychlost je normována na 9,6, 19,2, 187 a 500 kbitů/sec. Později byla rychlost upravena na širokou škálu rychlostí 1,5 M, 3M, 6M, 9M a 12 Mbitů/s a více (Profibus DP). Profibus PA má nastavenou jedinou rychlost dle normy IEC 1158-2 tedy 31,25 kbitů/s. Jednotlivé vrstvy zjednodušeného OSI modelu definují: 1. Vrstva fyzická : fyzické spojení mezi účastníky, mechanické, elektrické vlastnosti, topologii sítě, rozhraní. Pro přenos po sběrnici (kroucená stíněná dvoulinka) využívá RS 485 s nestandardně definovanými parametry [ 6 ]. Dále podporuje přenos světlovodičem a ve výbušné zoně pro variantu Profibus PA pak standard IEC 1158-2. 2. Linková vrstva je vrstva přístupu k síti a zabezpečení tvorby zprávy, tvořené tokem bitů. Profibus zde využívá hybridní verse IEEE 802.4 Token bus s přístupem Master Slave. 7. Aplikační vrstva poskytuje nezbytné služby pro komunikaci. Dělí se na dvě podvrstvy, označené shora jako FMS (Fieldbus Message Specification) a LLI (Lower Layer Interface).

Nad 7. vrstvou je definováno komunikační rozhraní ALI (Application Layer Interface), kterým jednotlivá komunikující zařízení přistupují ke komunikačnímu modelu (k 7. vrstvě). Existují tři varianty Profibusu. Profibus DP, Profibus FMS a Profibus PA. Nejjednodušší a nejrozšířenější variantou je Profibus DP, určený pro rychlou komunikaci typu Master-slave. Je vhodný zejména pro rychlý přenos signálů z procesu pomocí decentralizovaných periférií a odloučených I/O jednotek. Komunikace je po RS 485 nebo světlovodičem rychlostmi do 12 Mbitů v široké nabídce možností. Přenos se uskutečňuje prostřednictvím jednoduchého souboru bloků a funkcí.


Obr. 50:

51

Architektura protokolů Profibus

Pro komunikaci v heterogenním prostředí na vyšší úrovni je vhodný Profibus FMS s širokou nabídkou služeb pro práci s daty, programy, alarmy. Přenosové médium je shodné s variantou DP. Rychlost je nižší. Profibus PA existuje jako norma DIN 19245. Je určen pro řízení procesů, včetně prostředí s nebezpečím výbuchu. Do fyzické vrstv proto implementuje standard IEC 1158-2 (proudová smyčka). Obr. 50 porovnává všechny tři varianty Profibusu. Je-li třeba připojit více účastníků přenosu sítí Profibus, než je 32 stanic, povolených standardem RS 485, propojují se jednotlivé segmenty mezi sebou opakovači až do maximálně 10 segmentů při celkovém počtu stanic max. 127. Každý segment vyžaduje zakončení aktivními terminátory.

Obr. 51:

Princip přístupu k síti u sítě Profibus

Stanice, připojené k Profibusu se dělí na pasivní a aktivní stanice. Aktivní stanice si předávají token a mohou vysílat, když Token vlastní. Pasivní stanice nemohou vlastnit token a musejí být adresovány některou aktivní stanicí, aby mohly předat data. Způsob propojení stanic a předávání pověření a zpráv je patrné z Obr. 51. Stanice A, B, C, D jsou aktivní stanice (Master) a jen mezi nimi může cirkulovat pověření (token). Stanice E, F, G, H, I jsou stanice pasivní a jsou vyzývány příslušným Masterem k předání dat. Každá aktivní stanice zná adresy svých aktivních sousedů. Tj. ví od koho může dostat token a komu token předat. Doba, po kterou aktivní stanice vlastní token je parametrovatelná a celková doba cyklu sítě může byt nastavena.

5.4 FIP Skupina francouzských, německých a italských firem vyvinula fieldbus, který se stal standardem především ve Francii. Na severamerickém kontinentu se uplatnil díky organizaci WorldFIP, která později spolu s PNO (Profibus Nutzer Organisation) definovala ISP (Interoperability System Project), který slučuje oba komunikační modely v jeden celek a měla se maximálně přibližovat požadavkům ISO na světový standard fieldbusu. FIP používá kroucenou dvoulinku a přenosovou rychlost 31, 25 kbitů/sec., 1 Mbit/sec. a 2,5 Mbitů/sec. Při

52


rychlosti 1 Mbit/sec. je povolená délka segmentu 500 m. Jednotlivé segmenty mohou být propojeny navzájem pomocí opakovačů. Každý segment je určen maximálně pro 32 účastníků. Celkem k FIP může být připojeno 256 účastníků. Interface je integrován v obvodu FULLFIP firmy CEGELEC. Tento obvod má interface na PC a na druhé straně na FIB bus. FIP používá tzv. zdrojově orientovanou pooling adresovací metodu. Řízením sběrnice je pověřen arbitr, který cyklicky pověřuje ostatní stanice, které chtějí data buď přijímat, nebo vysílat. Arbitr vlastní seznam všech proměnných, které jsou používány ve všech připojených stanicích a každá proměnná je identifikována vlastní 16bitovou adresou (tedy celkem 65536 identifikátorů).

5.5 Protokol CAN (Controler Area Network) [ 7 ] Velmi populární a rozšířený sériový komunikační prostředek vhodný pro průmyslová použití. Vyvinut firmou Bosch na technologii Intel původně pro potřeby automobilového průmyslu. Pro svoji otevřenost (protokol první a druhé vrstvy je k disposici každému výrobci) a pro relativně vysokou rychlost a podporu mnohými výrobci mikroelektronických součástek, kteří implementují protokol do svých mikrokontrolerů, je velmi rozšířen. Dvě první vrstvy jsou definovány standardem ISO 11898. Nad těmito definovanými vrstvami postupem času bylo vytvořeno několik standardů aplikační vrstvy (vrstva 7 modelu ISO/OSI). Tak vznikly standardy dalších průmyslových sítí jako DeviceNet, CANOpen, SDS ap. Sama norma CAN má dvě varianty a to variantu CAN 2.OA a CAN 2.0B s rozšířeným formátem zprávy, vzhledem k tomu, že uživatelé měli výhrady k relativně kratšímu datovému rámci v některých průmyslových použitích. 5.5.1

Základní vlastnosti

Systém umožňuje časově nedeterministické řízení v reálném čase. Tomu je přizpůsobena jak rychlost ( do 1 Mbitu/s), tak přístupová metoda (multimaster). Znamená to, že každý účastník sítě může být na určitou dobu řídicím členem. Tato metoda je kombinována s náhodným přístupem k síti, která řeší kolize na základě prioritního rozhodování. Komunikace na síti probíhá prostřednictvím předávání zpráv (datová zpráva a žádost o data). Řízení sítě (jako signalizace chyb, pozastavení komunikace) je pak zajištěno pomocí dvou speciálních zpráv (chybové zprávy a zprávy o přetížení). Zpráva, vysílaná po sběrnici neobsahuje adresu příjemce a je přijímána všemi ostatními zařízeními. Každá zpráva je uvozena identifikátorem nesoucím informaci o významu zprávy a její prioritě. Nejvyšší prioritu má zpráva s identifikátorem 0. CAN protokol zajišťuje, aby zpráva s nejvyšší prioritou byla v případě kolize přenesena přednostně. Pomocí identifikátoru je možné zajistit, aby daná stanice přijímala jen ty zprávy, které se jí týkají (acceptance filtering). 5.5.2

Fyzické médium a fyzická vrstva

Obr. 52:

Metoda přístupu ke sběrnici


53

Protokol CAN definuje vlastní rozhraní k fyzickému přenosovému médiu a v tomto smyslu se odchyluje od modelu ISO/OSI. Na druhé straně jsou vlastnosti fyzické vrstvy velkou předností protokolu CAN. Požadavkem pro realizaci je, aby ve fyzické vrstvě byl realizován logický součin. Za účelem zvýšení rychlosti a odolnosti vůči rušení je účelné, aby spoj byl symetrický. CAN proto definuje dvě vzájemně komplementární hodnoty bitů na sběrnici dominant a recessive. Jedná se o plovoucí stejnosměrné úrovně, jejichž stejnosměrná hodnota je dána použitým médiem a vůbec konkrétní realizací fyzické vrstvy (nemusí jít ani o napěťový signál, jak je tomu v případě světlovodiče jako přenosového média). Funkce sběrnice musí být následující: Jestliže všechna připojená zařízení vysílají bit recessive, na sběrnici musí být úroveň recessive. Jestliže alespoň jedno zařízení vysílá bit dominant, musí být na sběrnici úroveň dominant. Tato funkce se dá ukázat např. na světlovodiči , kde úroveň recessive je nesvítí a úroveň dominant je svítí. Tedy dominant je vždy, když alespoň jeden zdroj má bit dominant, tedy svítí. Jestliže žádný ze vstupů tranzistorů (jako výstupních členů interfejsů jednotlivých účastníků k médiu) nemá log.1, sběrnice má vysokou úroveň. Jestliže však libovolný ze vstupů tranzistorů má úroveň log 1, celý výstup (sběrnice) má úroveň log 0.

Fyzické uspořádání sítě CAN

Obr. 53:

Protocol CAN je ve fyzické vrstvě definován mimo jiné standardem ISO 11898. Fyzické uspořádání sítě CAN je pak na Obr. 53. Úrovně recessive a dominant jsou definovány rozdílovým napětím mezi vodiči CAN_H a CAN_L. Pro úroveň recesive to je 0V rozdílového napětí, pro úroveň dominant to jsou 2 V rozdílového napětí. Sběrnice musí být přizpůsobena na obou koncích zakončovacími odpory 120 Ohmů. Ke sběrnici může být teoreticky připojen libovolný počet účastníků, prakticky s ohledem na zatížení sběrnice, je počet účastníků podstatně nižší a uvádí se kolem 64 na segment. Rovněž přenosová rychlost 1 Mbit/s je dosažitelná jen na krátké vzdálenosti do 40 m a se vzdáleností prudce klesá, takže na 1,2 km činí asi 70 kbitů/s. Plyne to z původního poslání sběrnice CAN, která byla určena pro malé vzdálenosti v instalaci automobilů.

5.6 Protokol DeviceNet Protokol DeviceNet definuje sériový přenosový kanál mezi prvky a systémy průmyslové automatizace. Je jednou z variant 7. vrstvy modelu OSI/ISO, která je definována nad protokolem CAN (1. a 2. vrstva modelu). Vyznačuje se těmito základními vlastnostmi: •

podpora až 64 účastníků sítě

•

připojení/odpojení bez přerušení funkce sítě

•

přenosová rychlost 125/250/500kBd

•

společný rozvod datových signálů i napájení pro účastníky

54


SW prostředky pro komunikaci typu žádost/odpověď

•

prostředky pro efektivní přenos I/O dat

•

fragmentace dlouhých bloků dat

•

detekce duplicitních adres zařízení

•

vzájemná zaměnitelnost zařízení od různých výrobců (specifikace obsahuje standardy pro typy konektorů, diagnostiku a profily různých typů zařízení)

Na Obr. 54 je zobrazen komunikační model protokolu DeviceNet.

Obr. 54:

Model DeviceNet

Obr. 54 rovněž provádí srovnání specifikace CAN a modelu ISO/OSI. Jak je zřejmé již z popisu protokolu CAN, CAN definuje pouze fyzickou a linkovou vrstvu modelu ISO/OSI. Neobsahuje ani specifikaci fyzického média a interfejsu k médiu (MAU - medium attachement unit) ani specifikaci aplikační t.j. 7. vrstvy modelu. Specifikace DeviceNet nejen že (podobně jako SDS a CANopen) definuje aplikační vrstvu, ale obsahuje i specifikaci fyzického interfejsu. 5.6.1

Fyzická vrstva v síti DeviceNet

Fyzická vrstva se skládá z tranceiveru, oddělovacích obvodů a ochranných obvodů. Optické oddělení není povinné pro zařízení napájené ze sběrnice. Přenosové médium se využívá i pro napájení stanic napětím 24V =. Proudové omezení celé sběrnice je omezeno na 8A. Proud jednotlivými přípojnými vedeními na 3A. Protokol DeviceNet není pouze proprietárním komunikačním prostředkem systémů Allen-Bradley, ale pro své výhodné vlastnosti (staví na oblíbené, otevřené a levné technologii CAN a přitom definuje aplikační vrstvu) proniká do výrobků celé řady výrobců průmyslové automatizace. Výhodou je plná otevřenost protokolu. 5.6.2

Aplikační vrstva protokolu DeviceNet

Aplikační vrstva definuje komunikační model (DeviceNet Messaging), profily zařízení a knihovnu aplikačních a pomocných objektů. Komunikační model zahrnuje způsob využití CAN zpráv, význam datového pole a rozdělení CAN identifikátorů, fragmentaci zpráv delších než 8 bytů, potvrzování přijetí, atd. Profily zařízení a knihovny objektů umožňují dosažení vzájemné zaměnitelnosti (interchangebility) a propojitelnosti (interoperability) produktů různých výrobců.


55

DeviceNet definuje pro předávání zpráv účinnější způsob, než je adresace typu zdroj/cíl, používaný u jiných způsobů sériové komunikace. Tento způsob se nazývá poskytovatel/příjemce. Identifikační pole neobsahuje adresu přijímací stanice, ale typ dat přenášených daným datovým rámcem. Tento způsob umožňuje využít větší počet úrovní priorit při povolování přístupu k přenosovému médiu, efektivní přenos I/O dat a komunikaci mezi jedním vysílacím objektem a několika objekty přijímajícími. Přenášené zprávy jsou rozděleny do čtyř skupin, lišící se strukturou pole identifikátorů v protokolu CAN. Obsahují v různých kombinacích jednu nebo dvě z následujících komponent: • identifikátor zprávy (Msg. ID) : identifikuje zprávy uvnitř dané skupiny zpráv a umožňuje tak navázat několik propojení pomocí zpráv dané třídy z jednoho zařízení. Po navázání spojení je s použitím odpovídajícího identifikátoru zprávy a adresy zařízení vytvořen identifikátor příslušný danému spojení, sloužící dále jako identifikátor rámce CAN •

adresu zdroje zprávy (MAC ID zdroje)

•

adresu zdroje nebo příjemce zprávy (MAC ID)

Určování priority zpráv skupiny 1 a 3 je distribuováno mezi všechna zařízení v síti. Žádá-li o přístup ke sběrnici současně několik zpráv skupiny 1 nebo 3, rozhoduje nejprve identifikátor zprávy (Msg.ID). Při shodě rozhoduje jako druhé kritérium adresa vysílacího zařízení (MAC ID zdroje). Protože zprávy skupiny 1 jsou jediné, které mají nejvýznamnější bit dominantní, mají nejvyšší prioritu. Zprávy skupiny 2 mají jako celek vyšší prioritu než zprávy skupin 3 a 4, ale uvnitř skupiny 2 rozhoduje o prioritě nejprve adresa zařízení a až jako druhé kritérium se uplatní obsah zprávy ve formě jejího identifikátoru (adresová položka - MAC ID zde může obsahovat adresu zařízení přijímajícího nebo vysílajícího). Část zpráv skupiny 4 má speciální význam, zbytek je vyhrazen pro pozdější použití a zatím není definován (Obr. 55). Podle toho, které dvě kombinace identifikátorů jsou použity, rozdělujeme zprávy do 4 skupin.

Obr. 55:

Význam identifikátoru zprávy

5.7 Ethernet Ethernet je sériová sběrnice vyvinutá na konci 70. let firmou Xerox. Vychází ze specifikace IEEE 802.3 pro fyzickou vrstvu a doplňuje ji o specifikaci linkové vrstvy, zejména horní podvrstvy definující LLC (Logical Link Control - řízení logického spoje). Dolní podvrstva linkové vrstvy, MAC (Medium Access Control), definující způsob přístupu k přenosovému médiu, je charakterizována jak u Ethernetu, tak u IEEE 802.3 nedeterministickou přístupovou metodou CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection).

56


Zatímco IEEE 802.3 specifikuje několik variant fyzické vrstvy, Ethernet využívá původně jen jedné specifikace s přenosovou rychlostí 10 Mb/s, přenos v základním pásmu, délka segmentu je do 500 m, topologie sběrnice a padesátiohmový tlustý koaxiální kabel. K této původní variantě Ethernetu se již delší dobu využívají i další varianty fyzické vrstvy, přizpůsobené tenkému koaxiálnímu kabelu a kroucené dvoulince. V poslední době se dále objevuje rychlý (Fast) Ethernet, u něhož řešení fyzické vrstvy umožňuje rychlost 100 Mb/s. Teprve tyto vysoké rychlosti a úpravy topologie sítí Ethernet předurčují tento systém také pro průmyslovou komunikaci. Lokální sítě LAN, pro které je Ethernet původně určen, vesměs nevyužívají pro otevřenou komunikační strukturu referenční model RM ISO/OSI, nýbrž jednodušší síťový model TCP/IP s příslušnými protokoly definujícími způsob přenosu dat. V ekvivalentu RM ISO/OSI by tyto protokoly představovaly třetí síťovou (IP) a čtvrtou transportní (TCP) vrstvu. Ethernet dále nespecifikuje také interpretaci obsahu datových souborů. Kupř. u průmyslových sítí je součástí specifikace 7. vrstvy mj. definice datových typů. Podle této definice je např. analogová veličina vždy reprezentována datovým typem s pohyblivou řádovou čárkou podle normy IEEE 754, což každý účastník dané sítě správně interpretuje. Další rozdíl spočívá v tom, že zatímco průmyslové sítě jsou navrženy především pro nasazení v průmyslovém prostředí jako sítě menšího rozsahu, Ethernet je využíván v sítích rozsáhlejších a umožňuje bezproblémové napojení na Intranet/Internet. 5.7.1

Průmyslové sítě a Ethernet

Při veškerém nadšení pro Ethernet je nutné vidět to, že průmyslové sítě na jedné straně a Ethernet TCP/IP na straně druhé jsou dvě značně odlišné věci. Z toho důvodu nelze v nejbližších létech očekávat vytlačení průmyslových sítí Ethernetem. Ve srovnání se zavedenými průmyslovými sítěmi může Ethernet vykazovat tyto výhody: •

dlouhodobě ověřené technologie (Ethernet, TCP\IP, http, ftp, …)

•

kompatibilita s dalšími lokálními sítěmi (LAN) a s Intranetem a Internetem

•

vyšší přenosová rychlost ve srovnání s průmyslovými sítěmi (Profibus, Device Net, …)

•

při použití přepínaného Ethernetu možnost duplexního režimu, defacto zdvojnásobení přenosové rychlosti

•

jednoduché a levné připojení na PC, Internet\Intranet

•

masová výroba síťových komponent se odráží v nízké ceně, velká podpora různých médií

•

vývojoví pracovníci většinou mají s technologií TCP/IP již značné zkušenosti

Mezi nevýhody Ethernetu ve srovnání s průmyslovými sítěmi je možné uvést: •

nedeterministický přístupu k médiu. To je způsobeno použitím přístupové metody CSMA/CD. Pokud zařízení při přístupu na sběrnici detekuje kolizi, čeká náhodný časový interval než se pokusí o přístup znovu.

•

délka datového pole není přizpůsobena potřebám průmyslové komunikace

•

použití aktivních prvků (switche, routery, …) v síťové topologii. Oproti jiným sítím využívajících pasivní sběrnice je toto řešení dražší a z principu náchylnější na poruchu.


57

•

neukončený vývoj (protokolů), a tím další náklady na vývoj

•

nutnost vyvinout průmyslové verze konektorů, kabelů a dalších síťových prvků. Je nutné mít k dispozici prvky vhodné pro vyšší rozsahy teplot, větší úrovně rušení a zajišťující vysokou spolehlivost provozu (redundance).

•

není vhodný pro připojení jednoduchých (levných) sensorů a aktorů. Cena připojení jednoho čidla k Ethernetu je v současné době vysoká v porovnání s jinými sběrnicemi. Také se ještě nevyrábějí dostatečně integrované prvky umožňující splnit prostorové omezení.

Mechanismus CSMA/CD je plně postačující v případě informačních technologiím kde příliš nezáleží na pravidelnosti přenosu informace. Řídicí aplikace mají ovšem vyšší nároky na determinismus, vyžadují přesně definovanou odezvu systému (například PID regulátor vyžaduje pravidelnou periodu vzorkování). Tento problém lze řešit tím, že se celá síť Ethernet rozdělí pomocí mostů na logické segmenty. Zprávy se pak omezují jen na daný segment, a tudíž se vznikající kolize plynoucí z podstaty náhodného přístupu k médiu v síti Ethernet omezí na daný segment. Pravděpodobnost kolize se výrazně zmenšuje i při značném zatížení sítě. Přepínače (směrovače nebo mosty) přepínají zprávu jen do toho segmentu, kde je adresát zprávy. Zprávy tedy zůstávají jen v nejmenším možném počtu segmentů. Přepínaná struktura sítě Ethernet řeší tedy do značné míry průchodnost sítě a při extrémně vysokých rychlostech (Fast Ethernet 100 Mb/s) může zaručit režim blízký režimu v reálném čase. Ethernet se tak stává velmi atraktivní variantou k průmyslovým sítím i pro propojení řídicích členů, přístrojů a jisté třídy inteligentní instrumentace (inteligentní čidla a inteligentní akční členy). 5.7.2

Komunikační protokoly průmyslového Ethernetu

Norma IEEE 802.3 definuje pouze dvě nejnižší vrstvy obecného ISO/OSI modelu, fyzickou a linkovou, které nezaručují doručení zprávy (ať už v rámci jedné sítě nebo mezi sítěmi). Pro praktické použití je třeba definovat další vrstvy. V současnosti nejrozšířenější je použití protokolu TCP/IP. IP (Internet Protocol) – zajišťuje přenos dat mezi jednotlivými sítěmi, tvoří síťovou vrstvu ISO/OSI modelu TCP (Transmission Control Protocol) – stará se o doručení zpráv, tvoří transportní vrstvu ISO/OSI modelu

Tyto čtyři vrstvy zajišťují bezpečný přenos dat mezi jednotlivými zařízeními v síti. Služeb těchto vrstev využívá nejvyšší vrstva ISO/OSI modelu, aplikační vrstva. Na rozdíl od nižších vrstev, situace se standardizací aplikační vrstvy není jednoduchá. Lze využít služeb používaných v Internetu, jako je HTTP, FTP, SMTP a další. Existuje již několik průmyslových standardů využívajících TCP/IP, další se vyvíjejí.Vedle těchto existují i protokoly využívající pouze Ethernetu, ale již ne TCP/IP. 5.7.3

Technologie známé z Internetu

Výraznou výhodou Ethernetu je, že lze použít již existujících služeb a aplikací. •

www – lze použít při instalaci, konfiguraci a údržbě zařízení

•

ftp – použitelné pro přenos dat v podobě souborů

•

e-mail – pro přenos různých hlášení a alarmů

58


Výhodou je rovněž i možnost přímého připojení na Internet. Lze použít mnoha existujích prostředků, jako jsou webovské prohlížeče a další. Průmyslové komponenty se zabudovaným web serverem dnes již nabízí celá řada firem. 5.7.4

Ethernet z hardwarového hlediska

Množinu nejpoužívanějších fyzických médií přehledně uvádí Tab. 2. 10Base-5 10Base-2 10Base-T 100Base-TX 1000Base-T

10 Mb/s, základní médium je "tlustý " koaxiální kabel 50 ohm, připojení přes AUI konektor, topologie sběrnice, přenos dat - poloviční duplex 10 Mb/s, médium je "tenký" koaxiální kabel 50 ohm, připojení přes BNC nebo AUI, topologie "sběrnice" (daisy chain) nebo hvězda (point-to-point), přenos dat - poloviční duplex 10 Mb/s, médium je nestíněný dvojitý kroucený pár (UTP kabel min. kategorie 3), připojení přes RJ-45 (8 kontaktů z toho 4 jsou využity), topologie hvězda (point-to-point), přenos dat může být plný duplex 100 Mb/s, médium je nestíněný dvojitý kroucený pár (UTP kabel min. kategorie 5), ostatní jako 10Base-T. V případě potřeby zvýšit odolnost proti rušení (Industrial Ethernet) lze použít stíněný kabel (STP) ve spojení s 9-ti pinovými konektory "D-shell". 1 Gb/s, médium je čtveřice nestíněných kroucených párů (kabel kategorie 5)

Tab. 2: Varianty fyzického média Existuje i Ethernet pracující na optických vláknech (100Base-FX, 1000Base-FX). Ethernetové zařízení může současně podporovat 10Base-5, 10Base-2 a 10Base-T. Uzly podporující 100Base-TX jsou obvykle zpětně kompatibilní s 10Base-T bez zvýšení nákladů na uzel. Uzly podporující 1000Base-T mohou být zpětně kompatibilní s 100Base-TX. Hardware realizující ethernetové rozhraní 10/100Base-TX

•

Procesor

•

Paměti

•

Ethernetový řadič (Ethernet Controller) - tvorba Ethernetového rámce - linková vrstva ISO/OSI

•

Ethernet Transciever (Ethernet PHY) - fyzická vrstva ISO/OSI - modulace a demodulace signálu

•

Signálový transformátor

•

EEPROM - uložení konfigurace a MAC adresy

Volba procesoru

Procesor je klíčový z hlediska výpočetního výkonu (doba odezvy, práce v reálném čase) a schopnosti adresovat dostatečé množství paměti pro realizaci potokolů. Možnosti jsou 8bitový procesor, 16bitový procesor, 32bitový procesor. 8-bitový procesor je schopen obsloužit dostatečné množství paměti pro realizaci základních protokolů. Odezeva bude relativně pomalá, neboť režie na zpracování protokolů je značná. Lze použít Ethernet s komunikační rychlostí 10 Mb/s i 100 Mb/s, avšak použití 100 Mb/s barianty nemá valný smysl, neboť 8bitový procesor je schopen generovat nepřetrřitý datový tok o velikosti řádově jednotky Mb/s. 16bitový procesor určitě je schopen obsloužit dostatečné množství paměti a určitě má i dostatečný výkon k zajištění relativě rychlých odezev. V případě střídmých nároků na rychlost lze zajistit práci v reálném čase.


59

32bitový procesor poskytne práci v reálném čase, dostatečné množství paměti pro základní i doplňkové protokoly a funkce, zpracování měřených dat v reálném čase pomocí pokročilých algoritmů a metod, které jsou výpočetně náročné. 5.7.5

Zhodnocení perspektiv

V současné době se stále častěji objevují na trhu automatizačních prostředků moduly s přímým připojením na síť Ethernet. To vyvolává živou diskusi mezi výrobci, systémovými integrátory a konečnými uživateli na téma, zda a v jakém časovém horizontu se Ethernet TCP/IP stane standardem komunikace i v průmyslovém prostředí. V dohledné době rozhodně nedojde k vytlačení průmyslových sítí a Ethernet TCP/IP se nestane jediným celosvětovým standardem, neboť přední výrobci automatizační techniky již začali prosazovat své vlastní protokoly využívající Ethernet.

5.8 MODBUS® TCP Protokol MODBUS®, původně vyvinutý firmou Modicon, je dnes široce používán. Definuje strukturu zpráv, která umožňuje navázat spojení typu master/slave mezi inteligentními zařízeními. Protože MODBUS® definuje pouze zprávy, je z principu nezávislý na použité fyzické vrstvě. Tradičně je používán na RS232/422/485. Nejnovější specifikace definuje přenos komunikačních zpráv za použití prostředků TCP/IP protokolu prostým vložením Modbusové zprávy do TCP paketu.

Obr. 56:

Princip vložení Modbusové zprávy do TCP paketu

Výhodou Modbusu je jeho jednoduchost a otevřenost. Jeho definice je volně přístupná na Internetu. Protože MODBUS® TCP vychází ze starší definice, je velmi jednoduché vyrobit bridge mezi Ethernetem a jiným médiem. Tím se zpřístupňuje celý svět starších zařízení podporujících Modbus. Nevýhodou tohoto protokolu je jeho zastaralost. Modbus byl vytvořen roku 1978 a od té doby prakticky nedoznal změn. Na rozdíl od modernějších protokolů je zaměřen pouze na přenos dat, nijak nedefinuje jejich formát a význam, žádné profily zařízení. Proto firma Schneider připravila rozšíření protokolu (Object Messaging Specification for the MODBUS/TCP Protocol), které definuje obecný datový typ, jeho vlastnosti, metody a strukturu zpráv pracujících s těmito objekty. Definice konkrétních objektů je ponechána na uživateli. Jak je zřejmé z Obr. 56, Modbus TCP přejímá formát zprávy ze starších variant protokolu. Vynechává se část kontrolního součtu, protože o bezchybné doručení je postaráno prostředky protokolu TCP, navíc je úvodní sekvence šesti bytů. Modbus TCP také s malými výjimkami kompletně přebírá datový model a množinu funkcí definovaných na tomto datovém modelu. Tyto funkce jso rozděleny do třech tříd. Třída 0 jsou univerzální a zaručeně kompatibilní funkce, třída 2 obsahuje užitečné, ale ne plně kompatibilní funkce. budoucí rozšíření množiny funkcí není vyloučeno. Vždy bude možno určit, zda dané zařízení

60


podporuje určitou funkci prostým požadavkem na vykonání této funkce a otestováním chybového hlášení. Takto bude vždy zajištěna interoperabilita zařízení.

6 Vysoce bezpečné a vysoce funkční PLC řízení 6.1 Úvod Problematikou vysoce bezpečného a vysoce funkčního řízení se zabývá disciplína, která se v anglicky psané literatuře označuje jako Fault-Tolerant systems (zkratka FT). Česky bychom hovořili o tzv. řízení, které je odolné proti poruchám. Jedna z mnoha definic, která se snaží pojem FT definovat říká [ 8 ]: „FT systém je takový systém, který i za přítomnosti chyb v softwarovém návrhu nebo vyskytnuvší se hardwarové chybě, pokračuje ve své správné činnosti.“ V mnoha aplikacích může chybná funkce řídicího systému vést k finančním ztrátám, k poškození životního prostředí nebo dokonce ke ztrátám na životech. Proto problematika FT a její nasazování v oblastech číslicově řízených systémů hraje velmi důležitou úlohu. Věta 6.1:

6.2 Základní pojmy Bezpečnost

je pravděpodobnost S(t), že systém bude buďto pracovat správně, nebo ukončí svoji činnost takovým způsobem, že nenaruší činnost jiného systému nebo neohrozí lidské životy. Bezpečnost je mírou bezporuchového provozu systému; pakliže systém nevykonává svoji činnost správně je nutné zajistit, aby alespoň přešel do tzv. bezpečného stavu. Např. selže-li řídicí ventil nějakého chemického procesu, pak existuje poloha (otevřeno nebo zavřeno), ve které by se měl nacházet, aby byla zajištěna výše definovaná bezpečnost. Míru schopnosti řídicího systému tento požadavek splnit nazýváme bezpečností. Pojem bezpečnost systému se často nesprávně zaměňuje se spolehlivostí systému [ 9 ]. Spolehlivost je však definována jako pravděpodobnost, že systém bude svoji funkci vykonávat správně spolehlivost neřeší problematiku co se stane, když systém selže.

Vykonavatelnost

P(L, t) systému je funkce času, definovaná jako pravděpodobnost, že výkonnost systému bude vyšší nebo rovna určité hranici L v čase t [ 10 ]. V mnoha případech je možné navrhnout systém tak, aby pokračoval ve vykonávání své činnosti poté co se vyskytla SW nebo HW chyba za cenu, že se sníží výkonnost systému. Typickým příkladem takových systémů jsou víceprocesorové systémy s operačními systémy reálného času, v nichž výpadek jednoho procesoru vede k redukci vykonávání úloh


61

s nižší prioritou, ale systém jako celek i nadále plní svoji úlohu. S vykonavatelností souvisí termín postupná degradace systému, který je definovaná jako schopnost systému autonomně snížit svůj výkon za účelem kompenzace selhání HW nebo SW části systému. Udržovatelnost

M(t) je pravděpodobnost, že systém, který selhal bude znovu uveden do funkčního stavu během času t. Proces znovuuvedení do funkčního stavu v sobě zahrnuje lokalizaci závady, samotnou opravu systému a opětovné uvedení systému v činnost. V této oblasti hraje velmi důležitou roli tzv. automatická diagnostika systému, která umožňuje významně zrychlit a zkvalitnit údržbu systému.

Chyba

je fyzický defekt nebo závada, která se vyskytne na některém SW nebo HW prvku v systému. Typickým příkladem selhání HW prvku je elektrický zkrat, typickým selháním SW elementu v systému je neplánovaná nekonečná programová smyčka.

Porucha

je projevem chyby. Porucha spočívá v ukončení schopnosti systému plnit požadovanou funkci, a to z jakékoliv příčiny a do jakéhokoliv stupně.

Selhání

je projevem poruchy. Selhání se projeví tím, že systém nevykonává činnost, která je od něho požadována a navíc způsobuje další škody.

Havárie

systém selže takovým způsobem, že dojde ke ztrátám na životech, k poškození životního prostředí, nebo k finančním ztrátám.

Vztah mezi Chybou, Poruchou a Selháním ilustruje Obr. 57. Chyba Obr. 57:

Porucha

Selhání

FT řetězec

Příklad 6.1: Ovládání polohovacího ventilu Typický příklad takového řetězce událostí je ovládání polohovacího ventilu, jenž se přivedením log. 1 zavírá a log. 0 otevírá (ze SW pohledu na věc). V případě, že se na řídicí sběrnici ventilu objeví trvalá log. 0 (např. kvůli rozpojení), pak nastala v systému chyba. Tak dlouho, dokud bude řídicí systém chtít udržet ventil otevřený porucha nenastane. Ta se projeví až ve chvíli, kdy se bude systém snažit ventil zavřít. Selhání systému se projeví tehdy, když vyskytnuvší se porucha zabrání dalšímu plnění činnosti systému - t.j. když systém není navržen na správnou reakci na tuto poruchu (systém není FT). Selhání systému je známkou špatně navrženého a provedeného projektu. Příklad 6.2: TMI - 1979, zatavení jádra kvůli sérii selhání. Postup událostí od t = 04:00, [ 11 ], [ 12 ].

t + 0s

Pumpy v sekundárním okruhu se kvůli malé poruše automaticky vypnuly; v systému se objevila chyba.

t + 2s

Protože teplo není dále sekundárním okruhem přenášeno, vzrůstá teplota a tlak vody v primárním okruhu; první pozorovatelný důsledek chyby.

62


t + 3s

Tlakový ventil primárního okruhu (PORV) se automaticky otvírá, aby vypustil nahromaděnou páru do odpadní nádrže; systém se snaží standardními prostředky (t.j. prostředky, které byly naprojektovány) chybu eliminovat.

t + 4s

Naběhnou záložní pumpy sekundárního okruhu, nicméně od systému jsou fyzicky odpojeny uzavíracími ventily, což operátoři netuší; v systému se objevila další chyba.

t + 9s

Řídicí tyče jsou automaticky spuštěny do reaktoru a zpomalují štěpnou reakci. Reaktor nyní produkuje cca 90% svého nominálního tepelného výkonu. Současně zpětná signalizace od PORV ventilu hlásí, že se tento uzavřel, což ve skutečnosti není pravda a voda s párou nadále unikají z primárního okruhu, čímž odhalují jádro. Primární okruh ztrácí schopnost udržet teplotu v reaktoru na bezpečné úrovni; porucha - systém v tomto okamžiku není schopen plnit funkci, na kterou byl navržen.

t + 2 min

Je aktivován automatický systém vstřikování vody do primárního okruhu (EIW). Operátory to nepřekvapí, neboť v minulosti se to již několikrát stalo, aniž by k nějakému úniku vody z primárního okruhu došlo; porucha trvá.

t + 5 min

Operátoři zjišťují, že hladina vody v primárním okruhu stoupá, proto systém EIW vypnou. Ve skutečnosti hladina vody klesá - PORV ventil je stále otevřen; selhání - systém způsobuje škody, neboť voda unikající přes PORV do atmosféry je radioaktivní.

t + 8 min

Jeden operátor si všimne, že ventily od záložních pump v sekundárním okruhu jsou uzavřené a otevře je; snaha o odstranění příčiny poruchy.

t + 15 min Do tohoto okamžiku unikne z primárního okruhu přes 12 tisíc litrů vody, avšak měřiče radioaktivity nespustí alarm; havárie t + 80 min Pumpy primárního okruhu začínají prudce vibrovat, což je způsobeno párou, která přes ně proudí. Dvě z nich jsou odstaveny ihned, další dvě za dvacet minut. porucha. t+140 min Operátor z následující směny zjistí, že teplota PORV ventilu je abnormálně vysoká, což je způsobeno unikajícím médiem z primárního okruhu. Únik vody zastaví záložním ventilem. Do tohoto okamžiku uniklo z primárního okruhu více než milión litrů radioaktivní vody; havárie. ... atd. Návrh FT systému by měl být cíl každého návrháře ať již v oblasti SW nebo HW. Bohužel problematika FT systémů je velmi často zcela opomíjena, což je z dlouhodobého hlediska kontraproduktivní. Osvojení si základních FT pravidel při výstavbě řídicího systému na všech úrovních řízení je více než žádoucí.

6.3 Metodika FT návrhu Obr. 58 shrnuje nejdůležitější nástroje a metodiky, které pomáhají návrháři při výstavbě systému dosáhnout FT chování.


63 P o ž a d a vk y n a systé m

N á vrh systé m u

P ře d c há z e n í c hybá m

E lim in o vá ní c hyb

D ě le ní fu nk c í P o su z o vá n í ná v rh u Ř íz e ní k v a lit y

H a rd w a ro v á re d u n d a nc e S o ftw a ro v á re d u n d a nc e In fo rm a č ní re d u n d a nc e

N á vrho vá p ra vid la S tíně ní

Č a so vá re d u n d a nc e D e t e k c e c hyb

C hla z e n í

R e k o n fig u ra c e

V ývo j systé m u M a rk o vo vy m o d e ly A na lýz a c h yb T e sto v á ní P o ru c ho vé m o d e ly K o m bina č n í m o d e ly F o rm á ln í m o d e ly

D o k u m e nt a c e

Obr. 58:

Metodika FT

6.4 Boj proti chybám Existují tři základní metodiky, které pomáhají eliminovat vliv chyb na systémy: 1. Předcházet chybám - Fault avoidance 2. Maskování chyb - Fault masking 3. Eliminovat vliv chyby - Fault tolerance 6.4.1

Předcházení chybám

je metodika, která by vždy měla být na prvním místě. Např. metody posuzování návrhu či řízení kvality dokáží eliminovat až 60% chyb a návrhářských omylů. Účinné stínění a chlazení je jeden z nejčastějších problémů většiny systémů. Účinné testování systému (prototypu) téměř vždy přináší finanční úsporu, neboť je tak odhaleno mnoho dalších chyb před tím, než je systém uveden v činnost. 6.4.2

Maskování chyb

je metodika, při níž je systém chráněn před tím, aby se vzniklá chyba zavlekla do jeho informační struktury. Do této oblasti patří například opravné kódy pamětí nejrůznějšího druhu nebo například systémy s majoritním hlasováním - TMR. 6.4.3

Eliminování vlivu chyb

Jak již bylo řečeno, FT systém je schopen pracovat i přes to, že se v něm vyskytnou chyby. Je to kategorie postupů, která je až na konci metodik předcházení chybám a maskování chyb. 6.4.4

Rekonfigurace

FT chování lze dosáhnout mnoha způsoby. Jeden z nejčastějších způsobů je tzv. rekonfigurace, která změní vnitřní strukturu systému takovým způsobem, aby bylo dosaženo požadovaného FT chování.

64

FEKT Vysokého učení technického v Brně Rekonfigurace probíhá v těchto čtyřech krocích [ 13 ]: 1. Zjištění chyby - systém rozezná, že někde nastala chyba. 2. Lokalizace chyby - systém determinuje, který modul chybu způsobil. 3. Eliminace vlivu chyby - systém musí zajistit, aby se chyba nešířila.

4. Regenerace po chybě - systém provede všechny ostatní nápravné kroky k tomu, aby zachoval svoji funkci. Hranice mezi jednotlivými FT postupy ukazuje následující Obr. 59. Vyhýbání se chybám

Maskování chyb

FT

Chyby v zadání SW chyby Chyby v implementaci

Společné chyby

Slehání systému

HW chyby

Vlivy prostředí

Selhání prvků

Hranice působnosti jednotlivých FT technik

Obr. 59:

6.5 Ukazatele spolehlivosti Intenzita poruch - λ(t) je pravděpodobnost, že systém, který je v čase t neporouchaný se v čase t + dt porouchá. Empiricky bylo zjištěno, že průběh λ(t) má tvar tzv. vanové křivky Obr. 60. λ(t)

I

II

III

λk

čas Obr. 60:

Vanová křivka

Vanová křivka determinuje tři významné etapy v průběhu života zařízení. Tyto jsou v obrázku jsou označeny jako I, II a III. Etapa I - se vyznačuje častými poruchami systému - výrobek je zahořován.


65

Etapa II - se vyznačuje ustálením poruch - doba normálního provozu výrobku, během níž je intenzita poruch na konstantní hodnotě λk. Etapa III - se vyznačuje opětovným nárůstem poruch v systému - výrobek je opotřebený. 6.5.1

Střední doba mezi poruchami

V anglické literatuře se označuje jako MTBF (Mean Time Between Failures) a je to zdaleka nejčastější spolehlivostní ukazatel, který výrobci poskytují. Používá se zejména pro obnovované (opravované) objekty. n

MTBF =

∑t i =1

pi

(s)

n

kde

n je počet výpadků způsobených poruchami tpi je doba bezporuchového provozu zařízení mezi následující i-tou poruchou Nejdůležitější poznatkem je skutečnost, že známe-li hodnotu MTBF, pak intenzita poruch λ(t)=λk je dána vztahem:

λk =

1 MTBF

(s-1)

Příklad 6.3: Prvek/systém Intel 8086 AMD 80386 PLC Motherboard MX3L Motherboard MX3Z Unix Windows 6.5.2

MTBF [h] 30x106 (3000 let) 10x105 (100 let) 30x104 (30 let) 76x103 (9 let) 40x403 (5 let) 1x103 (měsíc) ?

Pravděpodobnost bezporuchového provozu R(t)

je pravděpodobnost, že v čase τ ≤ t nedojde k poruše systému. S ohledem na dříve definované vztahy platí pro R(t) rovnice:

R(t ) = e − λk t 6.5.3

(-)

Sériový spolehlivostní model

se vyznačuje tím, že porucha kteréhokoliv prvku v systému způsobí poruchu v celém systému. Blokovým schématem tuto skutečnost pro systém s n prvky znázorňujeme dle Obr. 61.

66

FEKT Vysokého učení technického v Brně C1, λ1

C2, λ2

Cn, λn

Sériový spolehlivostní model

Obr. 61:

Výsledná pravděpodobnost bezporuchového provozu takového uspořádání prvků v systému je: n

Rs (t ) = ∏ e − λi t

(-)

i =1

A pro výslednou intenzitu poruch platí vztah: n

λs = ∑ λi

(s-1)

i =1

Příklad 6.4: Řízení letu proudového letadla se skládá ze tří číslicových regulačních obvodů, z nichž každý je tvořen: •

snímačem polohy s intenzitou poruchy λs

•

snímačem povelů pilota s intenzitou poruchy λp

•

aktorem s intenzitou poruchy λa

•

mikropočítačem s intenzitou poruchy λm

•

Prvky mezi sebou komunikují po

•

řídící sběrnici s intenzitu poruchy λbc

•

datové sběrnici s intenzitu poruchy λbd.

Stanovte pravděpodobnost bezporuchového provozu systému po dobu 5-ti hodin, způsobí-li jeho selhání výpadek libovolného prvku řízení.

Řešení: Intenzita poruchy celého systému je dána součtem intenzit poruch jednotlivých komponent, tedy: λsystem= 3λs+3λp+3λa+3λm+λbc+λbd

(s-1)

a pravděpodobnost, že systém řízení letu bude pracovat správně (a tedy podmínka k tomu, aby letadlo nespadlo) je:

R (18000) = e

− λ system 18000

Dosadíme-li za definované intenzity konkrétní hodnoty letounu X-29 [ 14 ] λs = 10-6 h-1 λp = 10-6 h-1 λa = 10-5 h-1 λm = 4 x 10-4 h-1


67

λbc = 10-6 h-1 λbd = 2 x 10-6 h-1 pak je výsledná intenzita poruch λsystem= 1,239 x 10-3 h-1 a pravděpodobnost bezporuchového provozu po dobu 5-ti hodin je: R(5 h) = 0,995 6.5.4

Paralelní spolehlivostní model

se vyznačuje tím, že selhání systému způsobí jen porucha všech prvků v systému. Blokovým schématem tuto skutečnost pro systém s n prvky znázorňujeme dle Obr. 62. C1, λ1 C2, λ2

Cn, λn Obr. 62:

Paralelní spolehlivostní model

Výsledná pravděpodobnost bezporuchového provozu takového uspořádání prvků v systému je: n

R p (t ) = 1 − ∏ (1 − e − λi t )

(-)

i =1

6.6 Systém TMR TMR je zkratka z angl. Triple Modular Redundant [ 15 ]. Tímto termínem se rozumí uspořádání tří prvků tak, aby při výpadek jednoho vedl k maskování poruchy v systému Obr. 63. Input 1

Module 1

Input 2

Module 2

Input 3

Module 3

Obr. 63:

Voter Output

Systém TMR

Pravděpodobnost bezporuchového provozu systému TMR se určí jako součet pravděpodobností všech bezporuchových stavů. Systém tedy pracuje správně, jsou-li všechny

68


moduly v bezporuchovém stavu nebo dva moduly bezporuchové a jeden poruchový. Má-li každý modul pravděpodobnost bezporuchového provozu R, je možno pro pravděpodobnost systému TMR odvodit vztah: RTMR=3R2 - 2R3 Platí-li pro všechny moduly intenzita poruchy λ, nabývá uvedený vztah tvar:

R TMR ( t ) = 3 e − 2 λ t + 2 e − 3 λ t 6.7 Příklad FT při PLC řízení Příklad 6.5: Model kolejiště Předmětem FT řízení je model kolejiště [ 16 ] znázorněný na Obr. 64.

Obr. 64:

Model kolejiště

Model disponuje: •

10 x nezávislou výhybkou (na obrázku jsou znázorněné obdélníky)

•

11 x vypínatelným úsekem s možností nastavení směru (na obrázku jsou znázorněné šipkami)

•

20 x snímačem polohy (na obrázku jsou znázorněné trojúhelníky)

Pravděpodobnost bezporuchového provozu celého modelu během jedné hodiny činnosti je asi jen 60%. Model tedy představuje příklad velmi často selhávajícího systému.

FT - první přiblížení Model je řízen dvojicí PLC - S7 200 a S7300, které jsou paralelně připojeny na řídicí sběrnici a na společnou I/O sběrnici. Řídicí struktura je na Obr. 65.

I/O - 7

I/O - 6

I/O - 4

I/O - 5

I/O - 3

I/O - 2

CPU

I/O - 1

69

I/O - 7

I/O - 6

I/O - 5

I/O - 4

I/O - 2

CPU

I/O - 1


Řídicí sběrnice I/O Bus - 2

I/O Bus - 1

Společná I/O sběrnice

Obr. 65:

Řídicí struktura se dvěmi PLC

Takové uspořádání je schopno pokrýt následující chyby v systému: •

chyba v jednom CPU

•

chyba v jednom algoritmu

•

chyba v segmentu I/O sběrnice

Výhodou takového uspořádání je relativně jednoduchý řídicí software, nevýhodou je velké množství signálů na sběrnici, což v konečném důsledku snižuje MTBF.

Obr. 66:

I/O - 6

I/O - 5

I/O - 4

I/O - 3

I/O - 2

CPU DP

I/O - 1

I/O - 6

I/O - 5

I/O - 4

I/O - 3

IO - 1 IO - 2 IO - 1 IO - 3 IO - 4 IO - 5 IO - 6 IO - 7 IO - 8 IO – 9 IO - 10

DP

CPU DP

I/O - 2

Proto v další aproximaci k přiblížení se k FT systému, byla do struktury řízení přidána sběrnice Profibus DP a na ní připojena svorkovnice WAGO a pomocí karty 5412 PC. Výsledná konfigurace je zřejmá z Obr. 66.

¡

Řídicí struktura se dvěmi PLC a komunikační sběrnicí

70


Takový řídicí systém má velmi velký stupeň volnosti co se týče schopnosti rekonfigurace a detekce chyby. Tyto možnosti shrnuje Tab. 3.

X

X

X

X

X X

9

S7-300 S7-200

X

X

11

S7-200

X

12

S7-200

X

13

S7-200

X

14

S7-200

15

S7-200

X

16

S7-200

X

17

S7-200

18

S7-200

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X X

X

X

X

X

X

X

X X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

Wago error

X

X

Wago error

X

S7-200 error X

S7-200 error S7-200 error

X X

X

X

Wago error

X

X

X

Wago error

X

X

X

Wago error

X

X X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

Wago error

X

X

X X

X

X

X

X

X

Profibus e.

X

X

X

X

X

X

X X

X

10

Profibus

S7-300

ISu

8

OSu

S7-300

ISu

7

OSu

S7-300

X

DP

6

X

X X

X

Wago

CPU

S7-300

X

X

X

Comment

S7-200

ISu

5

OSu

S7-300

X X

DP

4

Error coverage

CPU

S7-300

Wago

3

X

S7-200

S7-300

S7-300

S7-300

2

Wago

1

Output vector into

S7 – 300 S7-200

Control element

S7-300

No.

Input vector from

X

X

Profibus e.

X X

X X X

Vysvětlivky: Control element je PLC které fyzicky řídí úlohu. Input vector from a Output vector into označují, odkud prvek, který řídí úlohu bere informace o vstupech a na které výstupy zapisuje. Error coverage je kombinace chyb, které uspořádání maskuje. CPU je chyba v jednom z PLC DP je chyba na komunikačním procesoru daného prvku. OSu je chyba na výstupním subsystému ISu je chyba na vstupním subsystému Profibus je chyba na sběrnici Profibus DP

Tab. 3:

Přehled rekonfiguace a detekce chyb

Princip vyhodnocení chyby na I/O sběrnici - Systém TMR ukazuje Obr. 67.

S7-300 I/O Bus 1

S7-300

I/O Bus 2

S7-200

I/O Bus 3

Wago

V1

Output Voter 1

S7-200 V2 Output Voter 2

Obr. 67:

Princip vyhodnocení I/O chyby

Princip rekonfigurace systému po chybě ukazuje algoritmus na Obr. 68.


71

Entry Receive and storage: Wago IOT S7/200 IOT S7/300 IOT

Vote between IOTs (V1) Mark fault subsystem

Receive concurrent vote result (V2)

NO

V1<>V2?

Subsystem marked?

NO

YES

Terminate task

YES Reconfigure structure

Continue in task

Obr. 68:

Princip rekonfigurace

6.8 Vysoce bezpečné a vysoce funkční PLC řízení – Standardy Standardizace, jakožto nikdy nekončící proces k dosažení jednotných postupů ve všech odvětví lidské činnosti, významně zasáhla i do FT systému, které byly detailně diskutovány v předcházejícím kurzu. Za nejdůležitější normativní dokumenty, týkající se vysoce funkčního a vysoce nebezpečného řízení lze bezesporu považovat německý standard DIN V 19250/251 [ 18 ] a americký standard ANSI/ISA S84.01-1996 [ 19 ] a jeho mezinárodní verzi IEC 61508 [ 17 ]. Cílem těchto standardů bylo a je definovat bezpečnostní kategorie (z hlediska rizika ohrožení osob, životního prostředí a okolí) a stanovit zavazující postupy k dosažení bezpečného fungování systémů v definovaných kategoriích. 6.8.1

DIN V 19250

Německé norma DIN V 19250 popisuje postup při uvažování rizika při nasazení řídicího systému. Standard definuje známý rizikový diagram jako kvalitativní vývoj rizikového faktoru děleného na základě specifických situací. Tento přístup definuje osmi úrovňový model požadavků na systémy automatického řízení včetně ochranných systémů s ohledem na rozsah rizika, jak ukazuje Obr. 69. Z obrázku je patrné, že stejná riziková třída může být klasifikována na základě různých kritérií. Stupeň rizika je definován jako funkce:

R = S ⋅ f ( A, G,W )

72

FEKT Vysokého učení technického v Brně Věta 6.2:

Rozdělení přístrojů podle rizika je důležité na posouzení vhodnosti jejich použití z hlediska bezporuchovosti tak, aby nedošlo k ohrožení osob, prostředí či okolí.

S1

S2

S3

W3

W2

W1

1

-

-

G1

2

1

-

A1

G2

3

2

1

A2

G1

4

3

2

G2 G1

5

4

3

6

5

4

G2

7

6

5

8

7

6

A1 A2

S4

Žádná ochrana Stupeň rizika I (malé riziko)

Stupeň rizika II (vysoké riziko)

Doplňkové systémy ochrany

Obr. 69:

Rizikový model dle DIN 19250

6.8.2 IEC 61508

Mezinárodní standardizační proces zaměřený na FT řídicí systémy je veden primárně normou IEC 61508, která definuje kvantitativní požadavky na ochranné systémy. Tato norma omezuje počet rizikových skupin na pouhé čtyři, jak je vidět z Obr. 70 - Metodika určení úrovně SIL (Safety Integrity Level). Zde jsou definovány úrovně SIL1 až SIL4. Světově uznávaná odbornice v problematice bezpečných systémů Dr. Angela E. Summers k definicím SIL napsala [ 20 ]:

„Idea metodiky SIL existuje někde mezi snílky sci-fi a marketingem. Sci-fi verze je svázána vizí, že SIL zcela popisuje chování bezpečných systémů (SIS) v případě jejich náhodných selhání. Obchodní verze je svázána snahou o co největší a nejrychlejší prodej bez ohledu na následky.“ Jednoduché vysvětlení vztahu mezi frekvencemi poruch a SIL poskytuje kolo rulety. Jak známo, ruleta se skládá z číslovaných žlábků, které se točí a do nichž je vhozena kulička. Sázející odhadují, ve kterém žlábku kulička po zastavení kola zůstane a tento svůj odhad kvantifikují sázkou na příslušné číslo. V případě SIL rulety, kulička představuje SIL# a šance, nebo pravděpodobnost, že kulička zůstane na určitém čísle je definována mezinárodním standardem. Věta 6.3:

V případě rulety SIL1, předpokládejme, že kolo obsahuje deset žlábků (čísel), což je minimum pro SIL1. Jedno číslo je obarveno červeně a zbývajících devět je obarveno na


73

černo. Kolo se roztočí a kulička je vhozena do hry v momentě, kdy se v systému objeví nebezpečná událost, např. hladina v tanku dosáhne nejvyšší úrovně. Pakliže kulička skončí na jednom z černých čísel, pak bude systém reagovat správně, t.j. záložní ventil se otevře a sníží hladinu na bezpečnou úroveň. Pakliže kulička skončí na červeném čísle, pak bezpečnostní funkce systému selže (selžou) a tank přeteče. Jak často tato událost nastane - t.j. tank přeteče, je dáno součinem počtu her (požadavků na řešení havarijní situace) a poměru červených žlábků k černým. Hráč tedy může ovládat pravděpodobnost úspěchu pomocí počtu žlábků (SIL) a snižováním počtu havarijních situací. Kolik žlábků je požadováno a jaké činnosti musí být provedeny, abychom zabránili havarijním situacím je založeno na riziku a tolerované frekvenci poruch. Míru rizika lze vyjádřit sázkou na červené číslo. V sázce se projeví počet zraněných nebo usmrcených osob, škody na životním prostředí ... Pokud je sázka malá, t.j. hladina v tanku dosáhne nejvyšší úrovně maximálně desetkrát za rok s následkem, že přebytečné médium odteče do kanálu, pak je deset žlábků s frekvencí poruchy jednou za rok přijatelných. Pokud je sázka velká, tj. havárie způsobí výbuch a značná poškození jednou za deset let, pak je nutné počítat s nejméně tisíci žlábky, abychom dosáhli frekvenci poruch jednou za deset tisíc let.

C1 Pa

W3

W2

W1

X1

a

-

-

X2

1

a

-

X3

2

1

a

3

2

1

4

3

2

b

4

3

Fa Pb

C2 Fb

C3

Fa Fb

C4

Fa

Pa Pb Pa Pb Pa

X4 X5

Fb Pb

X6

a - není požadováno zabezpečení b - nelze zabezpečit jedním bezpečným systémem

Obr. 70:

Metodika určení úrovně SIL

74

FEKT Vysokého učení technického v Brně Vztah mezi pravděpodobností poruchy a SIL úrovní je uveden v Tab. 4 .

Tab. 4: 6.8.3

SIL

Pravděpodobnostní kategorie

1

1 z 10 až 1 z 100

2

1 z 100 až 1 z1 000

3

1 z 1 000 až 1 z 10 000

4

1 z 10 000 až 1 z 100 000

Vztah mezi pravděpodobností poruchy a SIL úrovní

Vztah mezi DIN 19250 a IEC 61508

Výrobci často uvádějí bezpečnostní třídy svých výrobků dle jedné nebo druhé normy. Vztah mezi jednotlivými úrovněmi ukazuje Obr. 71. Nutno poznamenat, že směry šipek jsou důležité a nelze např. ze SIL3 přejít na třídu 5 v německém standardu.

Obr. 71:

Vztah mezi DIN 19250 a IEC 61508


B

S1

F1

75

EN 951-1 1 2 3 4

DIN V IEC 19250 61508 Basic safety 0 1 principles

P1

2

P2

3

1

Normal safety parts and principles

2

Redundancy and partial detection of fails

3

Self-diagnostics

4

Safety of unmeaning machines

S2 P1

4

F2 P2

5

F1

6

S3 F2

7

S4

Obr. 72:

8

Vztah mezi IEC 951-1, DIN 19250 a IEC 61508

Praktická Tab. 5 stanovení postupů při vytváření bezpečného systému dle SIL. Safety Integrity Level S4

Attributes

Requirements Specification

Design Formal (Mathematical)

and

Safety Integrity Level S3


Semiformal (e.g. Informal Natural Natural language) language)

(e.g.


Applicability Hardware(H) Software(S)

Informal (e.g. Natural language)

H/S

Configuration Management

Full (Automated Full (Automated for development for development Yes and production) and production)

Manual

H/S

Prototyping

Yes

Yes

Optional

Optional

H/S

Structured Design Method; e.g. data flow diagrams, entity relationship Yes diagrams, state transition diagrams

Yes

Preferred

Optional

H/S

(project Peer Reviews

H/S

Preferred

H/S

Design Reviews

Yes (project team)

Yes team)

Project Management

Yes

Yes

Defensive Programming Techniques Yes

(project Yes team) Yes

Yes

Yes

preferred

S

Fault Tolerant Techniques

Yes

Preferred

Optional

Optional

H/S

Approved/Validated Compiler

Yes

Yes

Yes

Yes

S

Approved/Validated Support Tool

Yes

Preferred

Optional

Optional

S

Independent Technical Assessment

Yes

Preferred

Optional

Optional

H/S

Data Reporting Analysis Corrective Action System

Yes

Yes

Yes

Yes

H/S

Yes

Yes

Optional

Optional

H/S

Dynamic Analysis (e.g. automatic Yes testing)

Yes

Yes

Yes

S

Static Analysis

Independent Testing

Software

and

Yes (Same Yes (Same organisation, Yes (Different organisation, different Optional different organisation) department department) preferred)

H/S

76

FEKT Vysokého učení technického v Brně Safety Integrity Level S4




Applicability Hardware(H) Software(S)

Environmental/Operational Testing Yes according to Def Stan 00-35

Yes

Preferred

Optional

H

Computer Aided Simulation Component Tolerances

Yes

Preferred

Optional

H

Attributes

of

Yes

Yes (Same Yes (Same organisation, (Different organisation, Additional Production Vigilance; Yes different Optional different organisation) e.g. Independent Auditing department department) preferred) ISO 9001

Tab. 5:

Yes

Yes

Yes

Yes

H/S

H/S

Stanovení postupů při vytváření bezpečného systému dle SIL

7 DCS vybudované na bázi PLC Z kapitoly 4.2 víme, že DSC jsou distribuované řídicí systémy, kterým se velké PLC snažily a snaží konkurovat v projektech řízení velkých technologických celků. Víme, že DCS vznikly jako důsledek decentralizace řídicích počítačů nejprve na několik spolupracujících a propojených minipočítačů a později na množinu řídicích mikropočítačů, propojených systémovými sběrnicemi reálného času jak mezi sebou navzájem, tak s hierarchicky vyšší – operátorskou úrovní. Zachovaly si ve větší či menší míře hierarchickou strukturu. Na druhé straně, původně malé PLC implementovaly postupně vývoj mikroelektroniky a SCADA (Supervisory Control and data Aquisition System) systémů, až se jejich funkceschopnost, počet vstupů a výstupů, spolehlivost, operabilita a do jisté míry i programátorský a projektantský komfort mohly srovnávat s obdobnými vlastnostmi DCS. V následujícím uvedeme příklad toho, jak lze na bázi PLC úspěšně vybudovat distribuovaný řídicí systém, který má výše uvedené vlastnosti. Distribuované řídicí systémy (DCS), vybudované na bázi PLC jsou přirozeným důsledkem vyrovnávání původně velkého rozdílu mezi systémy na bázi řídicího počítače nebo minipočítače a číslicovou průmyslovou řídicí a regulační technikou (průmyslovými číslicovými regulátory a PLC). V současné době je proto projektant postaven před nelehký úkol rozhodnout mezi těmito dvěma alternativami, které v mnoha případech mají současně mnoho pro a mnoho proti. Z následujícího stručného přehledu plyne, že většina výrobců PLC, nabízí v jisté podobě svůj řídicí systém, postavený na vlastních PLC jako distribuovaný DCS systém. Předpokladem pro to je, že systém je vybudován dle schéma, uvedeného na Obr. 73.

Obr. 73:

PLC orientovaný DCS


77

Spolehlivost systému je vybudována na spolehlivosti vlastních PLC, které tvoří 1. úroveň řízení technologie. Operátorská úroveň (úroveň řízení procesu) je řešena výkonnými PC, propojenými mezi sebou i s 1. úrovní řízení sériovou sběrnicí. Zpravidla se jedná o systémově specifickou sběrnici, vhodnou do průmyslového prostředí (Modbus, Modbus Plus, FIP, CAN, Profibus, ARCnet, P-net), ale i Ethernet. Na vrstvě 7 se často setkáme s použitím služeb a funkcí MAP protokolu. Na úrovni projektování (konfigurace, parametrizace, programování ) se na OS používá buď výrobcem PLC dodávaný vizualizační, diagnostický a projektovací SW nebo se používá otevřených produktů SCADA výrobců SW. Čím otevřenější je vlastní systém, tím lépe může tyto neutrální SW produkty implementovat. Právě SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition ) systémy umožňují této architektuře konkurovat kompaktním DCS. 7.1.1 Příklad PLC orientovaného DCS

Jako příklad těchto systémů uveďme ve stručnosti systém Simatic PCS 7 firmy Siemens. Tento PLC orientovaný DCS vychází ze systému Simatic PCS, avšak implementuje především novou řadu Siemensových programovatelných automatů Simatic S7. V oblasti SW podporuje a využívá otevřená standardní SW rozhraní pro projektování a technologická data jako ODBC (Open Data Base Connectivity), SQL (Structured Query Language), dále OPCrozhraní, umožňující zpracování dat v PC aplikacích a rozhraní DDE. Z komunikačních standardů na nejnižších úrovních podporuje Profibus, Hart a na úrovni mezi stanicemi průmyslový Ethernet. Pro projektování, parametrování, diagnostiku a uvádění do provozu je do systému integrován moderní Siemensův konfigurační SW s názvem Simatic PDM (Process Device Manager), umožňující jednotným SW projektovat a programovat heterogenní přístrojovou kolekci od průmyslových regulátorů, přes automaty S7 až po Simatic PCS a to routingem (z inženýrské stanice až po poslední přístroj, připojený kupř. k síti HART). Tato vlastnost je ve firmě Siemens označována jako Totally Integrated Automation. Je reakcí na výše uváděný rozdíl mezi projektantským / programátorským komfortem integrovaným do kompaktních DCS a ostatní řídicí technikou (PLC, soft PLC, průmyslové regulátory, totálně distribuovaná automatizace ap.) při řešení automatizace velkých celků. Otevřenost systému, charakterizovaná prvky a vlastnostmi Totally Integrated Automation, umožňuje poměrně snadno začlenit do systému řídicí členy jiných výrobců. Již Simatic PCS, byl postaven v úrovni bezprostředního řízení na dvou zcela heterogenních PLC typu Simatic S5 a TI-500. Pro parametrování přístrojů používá systém Simatic PCS7 standardizovaný jazyk DDL (Device Description Language). Blokové schéma distribuovaného řídicího systému Simatic PCS 7 je na Obr. 74.

78


Obr. 74:

Blokové schéma Simatic PCS 7

7.2 Otázky ke kapitole 7 1) Nakreslete základní blokové schéma DCS systému, vybudovaného na PLC. Jaká je role PLC, v čem se liší tento DCS od jiných typů DCS. 2) Nakreslete blokové schéma systému Simatic DCS 7. Vysvětlete princip a funkci jednotlivých komponentů systému.

Seznam použité literatury [1]

Considine D.M.: Process / Industrial Instrumentation and Control Handbook,4th Ed. McGraw Hill, N.Y., 1993, ISBN 0 –07–012445–0.

[2]

Reinhardt H.: Automatisierugstechnik, SpringerLehrbuch, Berlin 1996, ISBN–3–540– 60626–2.

[3]

Kriesel – Heimbold – Teltschow : Bustechnologien fűr die Automatik, VieWeg Verl., Braunschweig 1998

[4]

Auer A. : SPS Aufbau und Programmierung, 4. Aufl., Hűtting, Heidelberg, 1991

[5]

Schnell G. (Hrsg) : Bussysteme in der Verl.,Braunschweig, 1994, ISBN 3–528–06569–9

[6]

Zezulka F.: Mezinárodní standardizace v oblasti průmyslových komunikačních sběrnic, Automatizace 1998, č.7, str. 393–396

[7]

Kocourek P.: Průmyslové komunikační systémy, Automatizace, 1998, č.7, str. 390 – 392.

[8]

Carter, W. C., and W. G. Bouricius. „A survey of fault tolerant computer architecture and its evaluation,“ Computer, Vol. 4, No. 1, January 1971.

[9]

Kuehn, R. E. „Computer redundancy: Design, performance and future,“ Transaction on Reliability, Vol. R-18, No. 1, February 1969.

Automatisierungstechnik,VieWeg


79

[ 10 ] Fortes, J. A. B., and C. S. Raghavendura. „Dynamically reconfigurable fault-tolerant arry processors,“ Proceedings of the 14th International Conference on Fault-Tolerant Computing, Kissimmee, Fla., June 20-22, 1984. [ 11 ] NOVA. "Sixty Minutes to Meltdown." WGBH Educational Foundation, 1983. [ 12 ] Stephens, Mark. "Three Mile Island." New York: Random House, 1980. [ 13 ] Lee, P. A., and D. E. Morgan. "Fundamental concepts of fault-tolerant computing process report," Proceedings of the 12th Annual International Symposium on Faulttolerant Computing, Santa Monica, California, 1982. [ 14 ] Anderson, D. "X-29 Forward swept wing flight control system," Proceedings of the Joint AIAA-IEEE Fifth Digital Avionic System Conference, Washington, D.C., 1984. [ 15 ] Chen, L., A. Aviziens. „N-version programming: A fault tolerant approach to reliability of software operation”, Proceedings of the International Symposium on Fault Tolerant Computing, 1978. [ 16 ] Kučera P., Fault tolernat design of control In IWCIT'01. International Workshop Control and Information Technology, IWCIT'01. Ostrava: VŠB Ostrava, 2001, s. 149-154, ISBN 80-7078-907-7. [ 17 ] IEC(CDV)61508: Functional safety on electric/electronic programmeble safety-realted systems. [ 18 ] DIN 19251 Control equipment, requirements and measures for safe guarded functions. [ 19 ] ANSI/ISA-S84.01-1996, “Application of Safety Instrumented Systems for the Process Industries”, Instrument Society of America S84.01 Standard, Research Triangle Park, NC, 27709, February 1996. [ 20 ] Dr. Angela E. Summers, Understanding Safety Integrity Levels, Control Engineering, February 1, 2000.

Programovatelné automaty

Recommend Documents