Vysoká škola chemicko-technologická v Praze Fakulta chemicko-inženýrská Ústav fyziky a měřicí techniky
Návod na laboratorní úlohu
Řízení plnění a vyprazdňování nádrží pomocí PLC
Návod na laboratorní úlohu: Řízení plnění a vyprazdňování nádrží pomocí PLC
Teoretický úvod Programovatelný logický automat (z angl. Programmable Logic Controller – PLC) je specializovaný průmyslový počítač, používaný pro automatizaci procesů v reálném čase. Tento počítač využívá programovatelnou paměť pro ukládání instrukcí a implementaci specifických funkcí (např. logických, sekvenčních, časovacích, čítacích či aritmetických) a díky nim je schopen ovládat jiné zařízení či procesy. Pro komunikaci s okolními zařízeními slouží sada unifikovaných vstupů či výstupů. Základní sadou jsou digitální a analogové I/O. K PLC se připojují čidla (získávání informací o procesu) či akční členy (ovládání procesu) viz obrázek 1.
Obrázek 1: Vztah PLC k procesu Jednoduché PLC systémy jsou často v provedení kompaktního přístroje v jednom boxu. Složitější systémy jsou rozdělovány na: a) Kompaktní – napájecí zdroj, CPU a vstupy a výstupy jsou v jednom modulu, PLC lze rozšiřovat o omezené množství dalších funkčních modulů. b) Modulární – napájecí zdroj, CPU a vstupy a výstupy jsou v samostatných modulech, tato PLC lze dále rozšiřovat dalšími funkčními moduly. Pro programování PLC se může používat až pět různých programovacích jazyků. Nejpoužívanější z nich je programovací jazyk Ladder Logic, který využívá tzv. žebříčkové diagramy, což jsou symboly ve tvaru žebříčku, které na své příčce nesou informaci o logickém okruhu. Funkce na příčkách se čtou zleva doprava. Na obrázku 2 jsou základní prvky jazyka Ladder Logic – Normally Open Contact a Normally Open Coil.
Obrázek 2: Normally Open Contact a Normally Open Coil
2
Návod na laboratorní úlohu: Řízení plnění a vyprazdňování nádrží pomocí PLC Normally Open Contact (obrázek 3) je vstupem do řídicí logiky (senzor, přepínač), ve stavu ON je sepnutý a umožňuje průchod elektrické energie (signálu), ve stavu OFF je otevřený a elektrická energie (signál) obvodem neprochází.
Obrázek 3: Normally Open Contact Normally Open Coil (obrázek 4) je reprezentován diskrétním výstupem s řídicí logiky, jestliže signál nalevo od výstupu (na příčce) nabývá hodnoty TRUE, je ve stavu ON.
Obrázek 4: Normally Open Coil Pomocí těchto dvou základních prvků můžeme vytvořit základní logické funkce AND a OR:
Obrázek 5: Pravdivostní funkce AND Podle pravdivostní tabulky se o tom lze snadno přesvědčit: Switch 1 OFF ON OFF ON
Switch 2 OFF OFF ON ON
Podobně lze vytvořit i pravdivostní funkci OR:
Obrázek 6: Pravdivostní funkce OR
3
Light 1 OFF OFF OFF ON
Návod na laboratorní úlohu: Řízení plnění a vyprazdňování nádrží pomocí PLC Opět je možné se snadno přesvědčit o platnosti tohoto zápisu z pravdivostní tabulky: Switch 1 OFF ON OFF ON
Switch 2 OFF OFF ON ON
Light 1 OFF ON ON ON
Zbývající jazyky – Function Block Diagram, Structured Text, Instruction List, Sequential Function Charts nebudou v úloze použity, proto se jimi nebudeme podrobně zabývat, jsou však alternativou k jazyku Ladder Logic, a jejich použití závisí na zvyklosti programátora, některé se totiž podobají např. vyšším programovací jazykům jako je Pascal, jiné nižším programovacím jazykům jako je Assembler. Úkolem této úlohy je vyzkoušet základy práce v programu Step 7 Lite, který je vývojovým prostředím pro PLC Simatic S7 313C. V několika úkolech si vyzkoušíte práci s jazykem Ladder Logic a otestujete pravdivostní funkce na aparatuře pro měření výšky hladiny.
Úkoly 1. Seznamte se s aparaturou pro měření výšky hladiny, s rozmístěním jednotlivých čidel, ventilů a čerpadel. Z přiložené tabulky čidel a ventilů stanice zjistěte parametry vstupů a výstupů jednotlivých zařízení a adresy, na které jsou připojeny k PLC. 2. Seznamte se s kompaktním PLC Simatic S7 313C. 3. Otestujete komunikaci počítače a PLC, prohlédněte si vývojové prostředí Step 7 Lite. Sestavte tabulku symbolů. 4. Využijte pravdivostní logické funkce a vytvořte jednoduchý program pro ovládání aparatury. Z údajů hladinoměrů použijte pouze jejich limitní hodnoty (prázdná nádrž, plná nádrž). Proporcionální ventily ovládejte pouze ve funkci dvoupolohových ventilů. Aparatura musí pracovat v následujícím režimu: a) Na počátku jsou obě nádrže prázdné. b) Nádrž A je plněna přítokem s ventilem SOL1 ze zásobní nádrže. c) V okamžiku, kdy je nádrž A plná dojde k otevření ventilu PSV3, uzavření ventilu SOL1 a obsah nádrže A je převeden do nádrže B. d) Protože nádrž A má větší objem než nádrž B, musí být zbývající voda vypuštěna odtokem s ventilem SOL3. e) Po úplném vyčerpání vody z nádrže A se začne vypouštět voda z nádrže B ventilem SOL4 do zásobní nádrže. f) Na závěr budou obě nádrže v tzv. promývacím režimu napuštěny najednou, a sice nádrž A ventilem PSV1, nádrž B ventilem SOL2; po dosažení maximální výšky hladiny v obou nádržích jsou obě najednou vypuštěny a cyklus začíná v bodě a).
Postup při řešení úkolů ad 1) Aparatura pro měření výšky hladiny v zásobníku se skládá ze tří nádrží, dvou experimentálních a jedné zásobní. Obě experimentální nádrže jsou vybaveny přítoky a odtoky vody. Nádrž A (obrázek 7) je vybavena dvěma přítoky vody, jeden z nich je uzavírán 4
Návod na laboratorní úlohu: Řízení plnění a vyprazdňování nádrží pomocí PLC proporcionálním ventilem PSV1, druhý dvoupolohovým solenoidovým ventilem SOL1, dále z nádrže vycházejí dva odtoky, jeden zpět do zásobní nádrže přes dvoupolohový solenoidový ventil SOL3, druhý spojuje obě nádrže přes proporcionální ventil PSV3. Nádrž B je opět vybavena přítoky podobně jako nádrž A, a to přes PSV2 a SOL2, a dále přítokem z nádrže A přes PSV3 a odtokem do zásobní nádrže přes dvoupolohový ventil SOL4. Přítok vody do nádrží je zajišťován dvěma sudovými čerpadly. Odtok z nádrže a přepouštění vody mezi nádržemi je realizován pomocí odstředivých čerpadel C3, C4 a C5. Dvoupolohové ventily SOL1 až SOL4 a čerpadla C1 až C5 je možné řídit binárním signálem z výstupu PLC (každý signál je posílen obvodem s pomocným relé). Všechny hladinoměry (kapacitní a piezorezistivní na nádrži A a ultrazvukový a piezorezistivní na nádrži B) mají unifikovaný výstup v podobě proudové smyčky 4 až 20 mA. Proporcionální ventily jsou pak opět řízeny unifikovaným signálem proudové smyčky 4 až 20 mA.
Obrázek 7: Schéma aparatury pro měření výšky hladiny ad 2) Programovatelný logický automat Simatic S7 313C patří mezi kompaktní PLC. V základním vybavení má 24 digitálních vstupů a 16 digitálních výstupů a dále 4 analogové vstupy a 2 analogové výstupy. Kompaktní PLC je dále doplněn modulem analogových vstupů a výstupů SM335, který je vybaven 4 analogovými vstupy a 4 analogovými výstupy. Komunikace PLC s počítačem probíhá díky adaptéru MPI/RS232, který převádí sběrnici MPI na standardní sběrnici RS232. 5
Návod na laboratorní úlohu: Řízení plnění a vyprazdňování nádrží pomocí PLC Detailní parametry PLC Simatic S7 313C a modulu SM335 jsou uvedeny v katalogových listech přiložených k aparatuře. ad 3) Při práci ve vývojovém prostředí postupujte podle přiloženého manuálu First step with Step7 Lite, vynechejte však kapitoly zabývající se programováním v jiných jazycích než je Ladder Logic. Při konfiguraci modulů použijte z knihovny hardware následující zařízení: CPU: 6ES7 313-5BF03-0AB0 Modul: 6ES7 335-7HG01-0AB0 Při vyplňování tabulky symbolů a adres používejte pro přehlednost názvy a zkratky stejné jako jsou uvedeny u jednotlivých zařízení na aparatuře. ad 4) Před programováním si sestavte řešení úlohy na papíře, teprve poté vytvořte vlastní diagram. Při spuštění programu sledujte pečlivě výšku hladiny v zásobnících, pokud by hrozilo přetečení, vypněte PLC a zkontrolujte Váš program.
Pokyny k vypracování protokolu 1. Formální a obsahová stránka protokolu musí splňovat požadavky zadané vedoucím laboratoří před zahájením Laboratoří z měřicí a řídicí techniky. 2. Do protokolu vložte výpis programového kódu k jednotlivým úlohám. 3. Do závěru stručně ohodnoťte práci s jazykem Ladder Logic.
6
