1

Podstawy automatyzacji

Podstawy automatyzacji

Kurs ARM 009041W

Kurs ARM 009041W

dr in

dr in

. Zbigniew Smalec, pok.3.19 B

. Zbigniew Smalec, pok.3.19 B

-

-

4

4

Kierunek studiów: ZIP - stacjonarne        

I-stopie , III rok, sem. 6-letni

Rok akad. 2011/12

Politechnika Wrocławska

W y d z i a ł M e c h a n i c z n y

Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji

Wrocław, 2012

Cz

Cz

2

2 (1 – 222)

Udział kosztów poszczególnych składników w budowie 

maszyn mechatronicznych (wg Bender, Glas, Kohen, 

McKinsey)

Koszty  [%]

100

80

60

40

20

0

Obecnie

Układy mechaniczne

Układy elektroniczne i oprogramowanie

1980              1990              2000              2010      

2020    Rok

2

In ynier zajmuj cy si  budow  maszyn ma 

In ynier zajmuj cy si  budow  maszyn ma 

zwi zek z technik  automatyzacji podczas:

zwi zek z technik  automatyzacji podczas:
konstruowania maszyn,
projektowania instalacji,
uruchamiania maszyn i instalacji,
eksploatacji maszyn i instalacji (utrzymanie 

ruchu, serwis, rozbudowa). 

Aspekty automatyzacji w budowie i eksploatacji maszyn

Poziomy techniczno-informacyjne      

w przedsi biorstwach produkcyjnych

Poziom planowania

Poziom kierowania

Poziom gniazda

Poziom sterowania

Poziom czujników/ elementów wykonawczych

Proces produkcyjny

Proces produkcyjny

Zadania 

Zadania 

dyspozycyjne

dyspozycyjne

Zadania 

Zadania 

operacyjne

operacyjne

Ilo  danych

Ilo  danych

Szybko  

Szybko  

reakcji

reakcji

In

te

gr

ac

ja

 p

io

no

w

a

In

te

gr

ac

ja

 p

io

no

w

a

MByte

kByte

bit

ms

s

min

3

Uzasadnienie:

Uzasadnienie: Do sterowania i regulacji niezb dna jest znajomo  i 

opis procesów.  Do opisu procesów słu  modele.

Definicja modelu:

Definicja modelu: Zestawienie wszystkich informacji o materialnym 

i niematerialnym systemie, które w ró ny sposób zobrazowuje  

zawarte w nim elementy i relacje, aby umo liwi  eksperymentaln  

manipulacj  odwzorowanej struktury i jej stanu.

Rzeczywisto

Model

Symulacja

Modelowanie

Modelowanie

Eksperymentowanie

Eksperymentowanie

Walidacja

Walidacja

Definicja symulacji:

Definicja symulacji: Zast pienie modelowanego odwzorowania 

dowolnego systemu lub procesu przez inny system lub proces i 

eksperymentowanie z tym modelem (symulacja). 

Modelowanie oraz symulacja systemów i procesów

Schemat budowy i przepływu sygnałów w układzie 

sterowania elektrycznego

Sterownik

Sterownik

Dopasowanie 

sygnałów 

Przetwarzanie 

sygnałów

Dopasowanie 

sygnałów

Tranzystor Opoizolator

&

<

Warunek logiczny

Tranzystor Wzmacniacz

System wytwórczy

System wytwórczy

Nastawianie

Nastawianie

M

9 2 4  8

Zawór Lampka  Silnik  Wy wietlacz

Wej cia

Wej cia

Przycisk  Ł cznik

Operator

Operator

Przepływ 

Przepływ 

sygnałów

sygnałów

4

Struktura systemów automatyzacji

Zadania składników automatyzacji:

Zadania składników automatyzacji:

Proces techniczny

Układ sensoryczny:

Układ sensoryczny:

Zbieranie informacji

Elementy wykonawcze:

Elementy wykonawcze:

Oddziaływanie na proces

Sterownik (komputer):

Sterownik (komputer):

Przetwarzanie 

informacji

Układ wskazywania i obsługi:

Układ wskazywania i obsługi:

Przetwarzanie 

informacji

System komunikacyjny:

Przekazywanie informacji

Struktury systemów automatyzacji

Podstawowe struktury systemów automatyzacji:

Podstawowe struktury systemów automatyzacji:

Urz dzenie 

obsługi

System 

kierowania

Sterownik 

(

komputer)

Sterownik 

(

komputer)

Sensor

Element 

wykonawczy

Sensor

Sensor

Element 

wykonawczy

Element 

wykonawczy

Poł czenie punkt-punkt

System sieciowy

5

Wymagania dotycz ce systemów automatyzacji

Wprowadzanie/ 

Wprowadzanie/ 

wyprowadzanie 

wyprowadzanie 

sygnałów 

sygnałów 

procesu

procesu

Sterownik

Sensor

Element 

wykonawczy

Ci nienie, 

temperatura, 

droga, 

pr dko  

obrotowa, ...

Zdolno  do 

Zdolno  do 

pracy w czasie 

pracy w czasie 

rzeczywistym

rzeczywistym

Pewno                

Pewno                

i niezawodno  

i niezawodno  

działania

działania

Odporno  na 

Odporno  na 

oddziaływanie 

oddziaływanie 

otoczenia

otoczenia

12

6

3

6

Zdolno  do pracy w czasie rzeczywistym

Procesy obliczeniowe w systemach automatyzacji musz  by  wykonywane 

w maksymalnie dopuszczalnym czasie, aby mo na było zapewni  

zgodno  przebiegu sterowania procesami z dynamik  tych procesów.

Praca w czasie rzeczywistym:

Praca w czasie rzeczywistym:

Praca w czasie rzeczywistym jest 

zapewniona wówczas, gdy spełnione 

s  wymagania równoczesno ci oraz 

działania we wła ciwym czasie.

Działanie we wła ciwym czasie

Działanie we wła ciwym czasie

(ang.

real time tasking):

Cało  zbierania, transmisji, 

przetwarzania i wyprowadzania 

sygnałów odbywa si  w ci gu 

okre lonego maksymalnego czasu 

reakcji, który jest mniejszy ni  

najkrótszy czas procesu.

Działanie równoczesne

Działanie równoczesne

(ang.

time scharing):

Dzi ki przeł czanemu i 

przesuni temu w czasie 

przetwarzaniu wszystkich task’ów

uzyskuje si  quasi 

symultaniczno . 

6

Praca w czasie rzeczywistym

Zdarzenie w procesie technicznym

Czas oczekiwania

Okre lanie stanu procesu

Przetwarzanie

Wyprowadzanie

Czas procesu

Maksymalny czas reakcji

Czas reakcji

Działanie we wła ciwym czasie:

Działanie we wła ciwym czasie:

Równoczesno :

Równoczesno :
Quasi równoczesne przetwarzanie ró nych, 

jednocze nie wyst puj cych sygnałów procesu dzi ki 

pracy wielozadaniowej (ang.

Multitasking).

Równoczesno  - praca w czasie rzeczywistym

Równoczesno :

Równoczesno :

Proces 1

Proces 2

Proces 3

t

7

Sterowanie i regulacja w sterownikach komputerowych jest zwykle realizowana za 

pomoc  równolegle wykonywanych w czasie rzeczywistym task’ów, które reaguj  na 

zdarzenia zewn trzne wyst puj ce w czasie. W przebiegu czasowym tych task’ów

aperiodycznych (A) lub wykonywanych periodycznie (B) wyst puj  trzy fazy, które s  

uaktywniane po wyst pieniu zdarzenia (przerwania) w obiekcie:

pomiar

pomiar (odczyt danych z sensorów): dla okre lenia stanu sterowanego obiektu,

obliczenia:

obliczenia: okre lanie reakcji układu sterowania na obiekt,

wyprowadzanie:

wyprowadzanie: (zapis danych do elementów wykonawczych) działanie na obiekt. 

Zdarzenie

A: aperiodycznie

A: aperiodycznie

Pomiar

Obliczenia

Wyprowadzanie

Fazy task’ów w czasie:

t

B: periodycznie

B: periodycznie

t

Okres

Cykliczne fazy task’ów w układach sterowania

Klasyfikacja task’ów

Zwi zane 

czasowo

Prawdziwy czas 

rzeczywisty

Lu ny czas 

rzeczywisty

Krytyczne 

czasowo

Czułe 

czasowo

Periodyczne

Aperiodyczne

Sporadyczne

Spontaniczne

Nie zwi zane czasowo. 

Bez wymaga  czasowych

ongoing

(Twardy czas rzeczywisty)

(Mi kki czas rzeczywisty)

Okno czasu reakcji

A. Krytyczne czasowo (twardy czas rzeczywisty)

A. Krytyczne czasowo (twardy czas rzeczywisty)

B. Czułe czasowo (mi kki czas rzeczywisty)

B. Czułe czasowo (mi kki czas rzeczywisty)

8

To, co jest rozumiane pod poj ciem czasu rzeczywistego, zale y w zasadzie od ka dorazowej aplikacji – np. 

w  procesach  termicznych  wystarczaj czasy  reakcji  w  zakresie  sekund,  natomiast  w  regulacji  nap dów  o 

du ej dynamice s to mikrosekundy. Dlatego te IAONA (ang. Industrial Automation Open Network Alliance) 

przeprowadziła podział czasu rzeczywistego na cztery nast puj ce klasy:
Klas 1 mo na uzyska w ka dej sieci Ethernet.
Wymagania nast pnego stopnia (klasy 2) przy skrupulatnym doborze składników i zaprojektowaniu sieci daj

si jeszcze spe

ł

ni za pomoc konwencjonalnej techniki.

Aby dla klasy 3 móc zapewni czasy cyklu rz du 1 ms, konieczne s specjalne algorytmy programowe, np. 

synchronizacja zegarem wg IEEE 1588 i metoda stempla czasowego.
Wreszcie dla procesów o wysokiej dynamice w klasie 4 obecnie wchodz w gr tylko systemy specjalne.

Klasyfikacja czasu rzeczywistego wg IAONA

Wysoce dynamiczne, 

synchronizowane 

procesy, „elektroniczne 

przekładnie”

Obrabiarki, 

szybkie 

procesy, roboty

Systemy transportowe, proste 

regulacje, instalacje 

zautomatyzowane

Technika budowlana, poziom 

kierowania i automatyzacji, 

proste procesy, systemy 

magazynowe

Klasy 

Real-Time

Czas reakcji/ Jitter

1

µµµµ

s        10

µµµµ

s         100

µµµµ

s  

1ms          10ms       100ms        1s             10s

1

1

2

3

4

Taski cykliczne i ongoing

A: 

A: 

Taski 

Taski 

zwi zane czasowo

zwi zane czasowo

Inicjali-

zacja

Tworzenie

Uaktywnienie

Zako czenie

Inicjali-

zacja

Przerwanie

Kontynuacja

Tworzenie

B: 

B: 

Taski 

Taski 

nie zwi zane czasowo

nie zwi zane czasowo

9

Przykład statycznego 

Scheduler’a

Układ sterowania instalacji nap dowej zawiera nast puj ce taski:

5 ms

25 ms

Regulacja_Hamowania

5 ms

25 ms

Regulacja_Pr dko ci

5 ms

100 ms

Regulacja_Temperatury

10 ms

50 ms

Regulacja_Pr du

Czas wykonania

Okresy

Taski periodyczne

10 ms

100 ms

Pomiar_Drogi

Czas wykonania

Minimalne okresy

Taski aperiodyczne

Minor 

cykle 

25 ms

Major cykle 100 ms

...

t

Regulacja_Pr du
Pomiar_Drogi

Regulacja_Temperatury

Regulacja_Hamowania

Regulacja_Pr dko ci

Reakcja

Przypadek 2:

Priorytet ma 

proces 

obliczeniowy 2

Proces 

techniczny 1

Oczekiwanie

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1 2 3 4

6 7 8 9

5

10

Aktywny proces 

obliczeniowy

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

t

p

2

t

p1

Maksymalnie dopuszczalny czas reakcji

Reakcja

Przypadek 1:

Priorytet ma 

proces 

obliczeniowy 1

Proces 

techniczny 2

1

2

Zapewnienie równoczesno ci przez ustawienie 

priorytetów

Oczekiwanie

10

Niezawodno  i dyspozycyjno

Niezawodno :

Niezawodno : zdolno  rozpatrywanej jednostki do spełniania 

wymaga  wynikaj cych z okre lonych celów zastosowania w 

ramach zadanych ogranicze , które s  postawione przebiegom jej 

własno ci podczas okre lonego okresu czasu.  

Dyspozycyjno :

Dyspozycyjno : prawdopodobie stwo,  e system (rozpatrywana 

jednostka) znajduje si  w stanie funkcjonowania. 

Stany: „

sprawny

” i „

awaria

” s  okre lone z prawdopodobie stwem 

„

dyspozycyjny

” i „

niedyspozycyjny

” (ich suma = 1).

Okres 

dyspozycyjno ci p:

p = 

MTBF

MTBF + MTTR

MTBF

MTBF (ang. Mean Time Between Failure) –

redni okres mi dzy awariami

MTTR

MTTR (ang. Mean Time To Repair) – redni 

czas napraw

Sprawny

Awaria

TBF

TBF

TBF

TTR

TTR

TBF – Time Between Failure

TTR – Time To Repair

t

Niezawodno  – krzywa wannowa

Okres niedyspozycyjno ci q:

Krzywa wannowa:

Krzywa wannowa:
Przebieg zmian stosunku MTTR/MTBF podczas pracy systemu:
• wczesne awarie (bł dy sprz tu i oprogramowania),
• awarie statystyczne w okresie normalnej eksploatacji,
• pó ne awarie wskutek nadmiernego zu ycia.

MTTR
MTBF

Faza wczesnych 

awarii

t

Chwila uruchomienia

Faza normalnego 

u ytkowania

Faza pó nych 

awarii

Poziom 

awarii

p = 1-

MTBF

MTBF + MTTR

q = 1 -

11

Charakterystyka niezawodno ci (ang. 

relabity) układu (systemu) musi by  

okre lona ilo ciowymi wielko ciami mierzonymi, takimi jak np.:

poziom awarii (ang. 

failure rate),

dyspozycyjno  (ang. 

availabity),

redni czas „ ycia” 

MTTF

MTTF (ang. 

mean time to failure),

redni okres mi dzy awariami 

MTBF

MTBF (ang.

mean time between failure).

Wielu producentów w danych dotycz cych produktu podaje poziom awarii. 

Dane te s  okre lane za pomoc  testów, w których elementy pracuj  w 

specyficznych warunkach. I tak np. poziom awarii elementów elektronicznych 

jest zamieszczany w bazach danych zebranych przez szereg równych instytucji.
Je eli rozpocznie si  od 

No

No sprawnych elementów od czasu dostawy (t=0), to 

po czasie 

t

t jest jeszcze dobrych 

N(t)

N(t) elementów. Ró nica 

No 

No 

-

-

N(t)

N(t) jest liczb  

awarii.
Niezawodno  

R(t)

R(t) (okre lana tak e jako prawdopodobie stwo „prze ycia”) jest 

zdefiniowana zale no ci :

R(t) = N(t) / No

R(t) = N(t) / No

Niezawodno  c.d.

Prawdopodobie stwo awarii 

F(t)

F(t):

F(t) = 1 

F(t) = 1 

–

–

R(t)

R(t)

G sto  awarii 

f(t)

f(t) okre la prawdopodobie stwo,  e w okresie czasu

dt 

dt 

element ulegnie awarii:

f(t) = 

f(t) = 

dF

dF

(t)/

(t)/

dt 

dt 

= 

= 

-

-

dR

dR

(t)/

(t)/

dt

dt

Odnosz c liczb  awarii w czasie t do jeszcze funkcjonuj cych elementów N(t) 

uzyskuje si  poziom awarii 

λλλλ

(t):

λλλλ

λλλλ

(t) = 1/N(t) 

(t) = 1/N(t) 

.

.

d(No 

d(No 

–

–

N(t))/

N(t))/

dt 

dt 

= 

= 

-

-

1/N(t) 

1/N(t) 

.

.

dN

dN

(t)/

(t)/

dt 

dt 

= 

= 

-

-

1/R(t) 

1/R(t) 

.

.

dR

dR

(t)/

(t)/

dt

dt

Przebieg poziomu awarii w czasie t eksploatacji obiektu jest opisany krzyw

wannow .
W elementach elektronicznych jest podawany poziom awarii w czasie FIT 

(ang.

failure in time).

1 FIT = 1 awaria (bł d) w czasie 10

9

h, wzgl. 10

-9

awarii (bł dów) w 1 h.

Niezawodno  mo na okre li  na podstawie poziomu awarii 

λλλλ

(t) jako:

R(t) = 

R(t) = 

exp

exp

[

[

-

-

0

0

t 

t 

λλλλ

λλλλ

(

(

ττττ

ττττ

) d

) d

ττττ

ττττ

]

]

Niezawodno  c.d.

12

Niezawodno  c.d.

Niezawodno  jest własno ci  maszyny (urz dzenia) 

technicznego do spełniania swoich funkcji podczas 

jej (jego) eksploatacji: 

• miar  niezawodno ci jest 

redni okres mi dzy awariami

redni okres mi dzy awariami

MTBF 

MTBF (ang.

Mean Time Between Failure), który jest:

a)  okre lany empirycznie na podstawie pracuj cego  

systemu, 

b)  obliczany na  podstawie poziomu awarii 

zastosowanych w   systemie składników, 

• niezawodno  

≠≠≠≠

bezpiecze stwo.

Np. zawodne systemy s  bezpieczne, gdy poszczególne 

awarie s  sprowadzane do bezpiecznego stanu, tzn. 

najcz ciej stanu z najni sz  energi .

Niezawodno  – bł dy i awarie

Bł dy:

Bł dy:

bł dy ludzi podczas projektowania, budowy i eksploatacji systemu,
redundancja nie pomaga, a pomocny mo e by  jedynie rozproszony rozwój systemu.

Awarie:

Awarie:

awarie s  spowodowane czynnikami fizycznymi lub chemicznymi,
przeciwdziałanie (strategia tolerancji) przez:

szczególnie staranny dobór składników, monta , ...
przegl dy zapobiegawcze, 
redundancj .

10 %

10 %

Obsługa

7 %

15 %

Otoczenie i komunikacja

65 %

25 %

Oprogramowanie

18 %

50 %

Sprz t

Systemy sterowania z 

tolerancj  bł dów

Systemy sterowania bez 

tolerancji bł dów

Udział  ródeł bł dów

Udział  ródeł bł dów

13

Pewno  (bezpiecze stwo) w systemach sterowania

Koncepcje uzyskiwania pewno ci:

Koncepcje uzyskiwania pewno ci:
• Fail Operational (unikanie bł dów): system jest tak 

zbudowany,  e wyst pienie awarii jest w wysokim 

stopniu nieprawdopodobne.                                       

(

Przykład:

sterowanie samolotem).

• Fail Safe (tolerowanie bł dów): system jest tak 

zbudowany,  e w przypadku wyst pienia awarii 

uzyskiwany jest stan pewno ci obiektu.                          

(

Przykład:

przejazd przez tory kolejowe - bariera 

zamyka si  w przypadku awarii sterownika).

Uwaga: pewno  i niezawodno  mog  ze sob  

konkurowa !

Dyspozycyjno

Dyspozycyjno  V

Dyspozycyjno  V jest prawdopodobie stwem,  e 

system jest zdolny do działania: 

V = MTBF/(MTBF + MDT) * 100 [%] 

MTBF (ang.

Mean Time Between Failure) – redni 

okres mi dzy awariami,
MDT (ang.

Mean Down Time) – redni  czas 

trwania awarii = czas rozpoznania awarii + czas 

naprawy.
Dyspozycyjno  mo na zwi kszy  przez:
- redundancj ,
- układy diagnostyczne (czas rozpoznania awarii),
- budow  modułow  (czas naprawy).

14

Sposoby zwi

Sposoby zwi

kszenia niezawodno

kszenia niezawodno

ci i dyspozycyjno

ci i dyspozycyjno

ci: 

ci: 

wybór i zastosowanie wysokowarto ciowych i niezawodnych cz ci,
korzystne warunki pracy,
przegl dy zapobiegawcze,
redundancja sprz tu dla wra liwych na awarie składników takich jak magistrale systemowe, elementy warstwy 

u ytkownika, zasilanie w energi (media),
redundancja procesora,
redundancja systemu komputerowego (sterownika).

Pewno  (bezpiecze stwo):

Pewno  (bezpiecze stwo):

zdolno  systemu do unikni cia zagro enia dla osób lub  rodowiska w okre lonych warunkach (stanach) pracy,
utrata tej zdolno ci jest spowodowana przez bł dy:

- oprogramowania (bł dy specyfikacji, bł dy implementacji),
- sprz tu (awarie urz dze ),

bł dy obsługi,
nieoczekiwane wpływy lub zakłócenia ze strony otoczenia ( rodowiska).

Działania dla zwi kszenia pewno ci (bezpiecze stwa):

Działania dla zwi kszenia pewno ci (bezpiecze stwa):

rozpoznawanie bł dów, np. przez redundancj  lub zgodno  (niem. 

Plausibilität),

maskowanie bł dów przez redundancj ,
obsługa bł dów,
ograniczanie rozprzestrzeniania si  bł dów,
techniki 

fail

fail

-

-

sa

sa

f

f

e

e: sprowadzanie systemu do stanu bezpiecznego,

metody 

Watch

Watch

-

-

dog

dog: w zadanych odst pach czasu musz  wyst pi  okre lone aktywno ci, a ich brak jest traktowany 

jako bł d.

Bezpiecze stwo i niezawodno  – sposoby zwi kszania

Niezawodno  (dyspozycyjno ) ró nego 

rodzaju systemów

A. Struktura szeregowa:

A. Struktura szeregowa:

poszczególne maszyny (urz dzenia) całego systemu s ze sob poł czone szeregowo,
cały system jest tylko wtedy sprawny, gdy ka dy z jego składników jest sprawny,
dyspozycyjno

całego systemu:

Qs

Qs

= q1 * q2 * ...* 

= q1 * q2 * ...* 

qn

qn

prawdopodobie stwo awarii całego systemu 

Ps

Ps jest równe sumie prawdopodobie stw 

awarii poszczególnych 

jego 

składników,

sprawno  całego systemu jest okre lona najsłabszym ogniwem w ła cuchu.

B

B

. Struktura r

. Struktura r

ó

ó

wnoleg

wnoleg

ł

ł

a:

a:

wiele maszyn (urz dze ) całego systemu jest poł czonych równolegle,
ka dy ze składników mo e zast pi funkcje innego,
cały system funkcjonuje tak długo jak sprawny jest przynajmniej jeden z jego składników,
prawdopodobie stwo awarii całego systemu:

Ps

Ps

= p1 * p2 * .... * 

= p1 * p2 * .... * 

pn

pn

równoległe, redundantne składniki zmniejszaj prawdopodobie stwo awarii całego systemu.

15

Zidentyfikowane przyczyny awarii przemysłowych

Zmiany po odbiorze 20%

Bł dy w zało eniach 44%

Bł dy w projekcie 

i realizacji 15%

Bł dy w 

wykonaniu        

i odbiorach 6%

Bł dy podczas 

pracy i w 

serwisowaniu 15%

Poziomy nienaruszalno ci bezpiecze stwa

Bezpiecze stwo (pewno ):

Bezpiecze stwo (pewno ):
• jest to zupełnie inna problematyka ni  niezawodno : w przypadku awarii nie mo e 

wyst powa   adne zagro enie, a szczególnie dla ludzi,

• aspekty ekonomiczne, w przeciwie stwie do niezawodno ci, nie odgrywaj  tutaj  adnej roli,
• je eli niezawodno  instalacji najcz ciej jest rz du 99%, to pewno  musi by  jeszcze 

wy sza, prawie 100%, co jednak nigdy nie jest w praktyce osi galne,

• pewno  instalacji jest okre lona w normach. Zale nie od wyst puj cego potencjału 

zagro e  s  im przypisane tzw. 

klasy bezpiecze stwa

klasy bezpiecze stwa.  

Norma i klasy pewno ci:

Norma i klasy pewno ci:
• pewno  maszyn jest okre lona w mi dzynarodowej normie PN-EN 61 508,
• norma ta okre la poziomy nienaruszalno ci bezpiecze stwa 

SIL

SIL (ang.

Safety Integrity Lewel), 

przy czym pewno  działania zabezpieczenia ro nie logarytmicznie wraz z numerem klasy.

90,00 – 99,00 %

99,00 – 99,9 %

99,90 – 99,99 %

> 99,99 %

Dyspozycyjno

Dyspozycyjno

10

-1

do 10

-2

1

10

-2

do 10

-3

2

10

-3

do 10

-4

3

10

-4

do 10

-5

4

Prawdopodobie stwo 

Prawdopodobie stwo 

wyst pienia bł du w ci gu roku

wyst pienia bł du w ci gu roku

SIL 

SIL 

16

Bezpiecze stwo

Pewno

Niezawodno

Dyspozycyjno

Zaufanie

Integralno

Pi  filarów bezpiecze stwa

Pewno :

Pewno : nie wyst puje  adne zagro enie, brak katastrofalnych skutków

Dyspozycyjno :

Dyspozycyjno : gotowo  do wykorzystania

Niezawodno :

Niezawodno : ci gło  działania

Zaufanie:

Zaufanie: brak nadu y  w wykorzystaniu informacji (nieistotne w systemach

sterowania)

Integralno :

Integralno : informacje nie s  zafałszowane (nieistotna w systemach 

sterowania)

Ła cuch działa  realizowanych podczas obsługi bł dów

Wyst pienie 

bł du

Rozpoznanie 

bł du

Zgłoszenie 

bł du

Ograniczenie 

bł du

Obsługa 

bł du

Usuni cie 

bł du

5

1

2

3

4

17

IP 67

IP 66

IP 65

IP 60

Pyłoszczelno

IP 56

IP 55

IP 54

IP 53

IP 50

Zabezpieczenie przed 

pyłem

IP 44

IP 43

IP 42

IP 41

IP 40

Zabezpieczenie przed 

cia

ł

ami sta

ł

ymi o  rednicy 

powy ej > 1 mm

IP 34

IP 33

IP 32

IP 31

IP 30

Zabezpieczenie przed 

cia

ł

ami sta

ł

ymi o  rednicy 

powy ej > 2,5 mm

IP 23

IP 22

IP 21

IP 20

Zabezpieczenie przed 

cia

ł

ami sta

ł

ymi o  rednicy 

powy ej > 12 mm

IP 12

IP 11

IP 10

Zabezpieczenie przed 

cia

ł

ami sta

ł

ymi o  rednicy 

powy ej > 50 mm

IP 00

Brak ochrony

IP ..8

IP ..7

IP ..6

IP ..5

IP ..4

IP ..3

IP ..2

IP ..1

IP ..0

Dotykiem i ciałami 

obcymi

Zabezpie-

czenie

przed 

skutkami 

ci g

ł

ego 

zanurzenia 

pod wod

Zabezpie-

czenie

przed 

skutkami 

czasowego 

zanurzenia 

pod wod

Zabezpie-

czenie

przed 

silnym 

strumie-

niem wody

Zabezpie-

czenie

przed 

strumie-

niem wody

Zabezpie-

czenie

przed wod

rozpry-

skow

(rozbryzgi)

Zabezpie-

czenie

przed mg

ł

wodn

Zabezpie-

czenie

przed 

kapi c

wod , przy 

pochyleniu  

obudowy o 

15

o

Zabezpie-

czenie

przed 

kapi c

wod

Brak 

ochrony

Ochrona przed

Stopnie ochrony obudów urz dze  elektryczno-elektronicznych

Sterowniki (komputery) przemysłowe w wytwarzaniu

Komputer kierowania 

Komputer kierowania 

wytwarzaniem

wytwarzaniem

Komputer gniazda

Komputer gniazda

PLC

PLC

Sterownik 

swobodnie 

programowalny

NC

NC

Układ 

sterowania 

numerycznego

RC

RC

Układ 

sterowania 

robota

PDA

PDA

Zbieranie 

danych 

produkcyjnych

Planowanie i sterowanie produkcj  

(PPC/SFC)

Sterowanie grup  stanowisk 

(gniazdem wytwórczym)

Materiał

Ta ma

Sygnał

Pełny

Przycisk

Pełny

18

Od  obecnie  stosowanych  w  przemy

Od  obecnie  stosowanych  w  przemy

le  uk

le  uk

ł

ł

ad

ad

ó

ó

w  sterowania 

w  sterowania 

maszyn  i  urz

maszyn  i  urz

dze

dze

,  w  tym  opartych  g

,  w  tym  opartych  g

ł

ł

ó

ó

wnie  na  sterownikach 

wnie  na  sterownikach 

PLC, oczekuje si

PLC, oczekuje si

spe

spe

ł

ł

nienia nast

nienia nast

puj

puj

cych wymaga

cych wymaga

:

:

ł

atwo

monta u i demonta u uk

ł

adu sterowania,

mo liwo

szybkiego i 

ł

atwego przeprogramowania,

elastyczno  polegaj ca na mo liwo ci zastosowa w wielu 

ga

ł

ziach przemys

ł

u,

mo liwo

zmian programu w trybie on-line,

mo liwo

monitorowania przebiegu procesu w czasie 

rzeczywistym,
nadzorowanie i diagnostyka uk

ł

adu sterowania,

wymiana danych z innymi uk

ł

adami i urz dzeniami inteligentnymi,

niska cena.

Ogólne wymagania dla układów sterowania

Cechy systemów sterowania w nowoczesnych 

instalacjach produkcyjnych

Rekonfiguro-

walno

Modularyzacja 

maszyny               

i instalacji

Wzrost 

elastyczno ci

Zdolno  do 

pracy w sieci 

komunikacyjnej

Zdalny dost p

Zmniejszenie 

kosztów

Wizualizacja

Diagnostyka

Wymagania

Wymagania

19

Rodzaje zada  automatyzacji realizowanych przez 

sterowniki (komputery) przemysłowe

Ogólne zadania sterowników (komputerów) przemysłowych:

Ogólne zadania sterowników (komputerów) przemysłowych:

Sterowanie przebiegiem procesów,
Zadania regulacji.

Wymagania czasu 

Wymagania czasu 

rzeczywistego

rzeczywistego

Kierowanie procesami, zarz dzanie 

recepturami,
Interfejs człowiek-maszyna (HMI),
Planowanie i sterowanie produkcj , 
Archiwizacja i oddziaływanie na 

wsad (wytop) procesu.

Brak

Brak

wymaga  czasu 

wymaga  czasu 

rzeczywistego

rzeczywistego

Wymagania komputerowych sterowników przemysłowych  

stosowanych w systemach automatyzacji

Ogólne wymagania systemów automatyzacji dotycz  w 

szczególno ci sterowników (komputerów) przemysłowych.

Zdolno  do pracy w czasie rzeczywistym:

Zdolno  do pracy w czasie rzeczywistym:

systemy operacyjne, architektura pami ci.

Wprowadzanie 

Wprowadzanie 

–

–

wyprowadzanie sygnałów procesu:

wyprowadzanie sygnałów procesu:

przył czenie elementów wykonawczych, sensorów, systemy 

komunikacyjne.

Pewno  i niezawodno :

Pewno  i niezawodno :

wysokiej jako ci składniki, układy redundantne. 

Odporno  na oddziaływanie otoczenia:

Odporno  na oddziaływanie otoczenia:

specjalne obudowy, monta  przewodów ł cz cych.

20

Cechy biurowych PC i mo liwo ci ich 

zastosowania w automatyzacji

Cechy biurowego (standardowego) PC:

Cechy biurowego (standardowego) PC:

brak systemu operacyjnego czasu rzeczywistego,
nie zawsze wysokiej jako ci składniki,
standardowo brak interfejsów I/O do procesu,
mało zwarta obudowa,
nie zawsze zapewniona praca ci gła.

Pomimo tego wyst puje tendencja stosowania PC w 

Pomimo tego wyst puje tendencja stosowania PC w 

niektórych obszarach automatyzacji, takich jak np.:

niektórych obszarach automatyzacji, takich jak np.:

obsługa i obserwacja (HMI),
archiwizacja danych,
planowanie i sterowanie produkcj  (PPC).

Rodzaje sterowników przemysłowych

W zasadzie sterowniki przemysłowe s  klasyfikowane ze wzgl du na

W zasadzie sterowniki przemysłowe s  klasyfikowane ze wzgl du na

swoj  budow  oraz realizowane przez nie funkcje.

swoj  budow  oraz realizowane przez nie funkcje.

Budowa

Budowa

System kompaktowy,
System modułowy,
System specjalny.

Kryteria doboru:

Kryteria doboru:

Liczba I/O,
Przestrze  do zabudowy,
Mo liwo  rozbudowy,
Wymagana moc obliczeniowa.

Funkcje

Funkcje

Sterowanie procesem:

• dyskretnie,
• analogowo, 

Sterowanie torem ruchu,
Interfejs u ytkownika.

Kryteria doboru:

Kryteria doboru:

Zadanie automatyzacji,
Spektrum zada  (IPC).

21

Wymagania funkcjonalne sterowników przemysłowych

Sterowanie przebiegiem procesów:

Sterowanie przebiegiem procesów:

Przetwarzanie sygnałów procesu,
Jeden program aplikacyjny, który jest „parametryzowany” przez dane procesu,

PLC

PLC (ang.

Programmable Logical Controller).

Kształtowe sterowanie ruchem (obrabiarki, roboty):

Kształtowe sterowanie ruchem (obrabiarki, roboty):

Przetwarzanie danych geometrycznych,
Ró ne pogramy technologiczne dla ka dego przedmiotu (procesu),

NC

NC (ang.

Numerical Control), 

RC

RC (ang. 

Robot Control).

Zadania ogólne 

Zadania ogólne (wł cznie z wy ej wymienionymi)

:

:

Obsługa i obserwacja, technika kierowania wytwarzaniem,
Du a ró norodno  aplikacyjna,

IPC

IPC (ang.

Industrial Personal Computer).

Typowe zadania układów sterowania

Typowe zadania układów sterowania

Warunki

Działania

Je eli

Je eli

jest osi gni ty wył cznik kra cowy

To 

To 

wył cz silnik

Je eli 

Je eli 

chwytak jest zamkni ty

i urz dzenie mocuj ce otwarte
i klawisz 

„załadowa ” wci ni ty

To

To

wprowad  przedmiot

Je eli

Je eli

przekroczona jest dopuszczalna temperatura

lub nieosi gni ty minimalny poziom napełnienia
lub przekroczony maksymalny poziom napełnienia
lub uruchomiony wył cznik awaryjny

To 

To 

wł cz sygnał d wi kowy i migaj c  lamp

Je eli 

Je eli 

(upłyn ł czas oczekiwania

i pojemnik jest pusty)
lub wci ni ty jest przycisk 

„napełni ”

To

To

otwórz zawór napełniania

Działania logiczne (na sygnałach binarnych)

22

Działania logiczne w układach sterowania

&

&

&

&

&

&

&

&

>=1

>=1

I1 I2 I3 I4

Q1

Q1

(

(

I1

I1

AND

AND

I2

I2

AND

AND

I3

I3

AND 

AND 

I4

I4

)

)

OR

OR

(

(

I1

I1

AND

AND

(

(

NO

NO

I2

I2

) 

) 

AND

AND

I3

I3

)

)

OR

OR

(

(

I1

I1

AND

AND

I2

I2

AND

AND

(

(

NO

NO

I4

I4

))

))

OR 

OR 

((

((

NO

NO

I2

I2

) 

) 

AND (NO

AND (NO

I3

I3

) 

) 

AND 

AND 

I4

I4

)

)

Q1

Q1

JE ELI

JE ELI

TO

TO

Sterowanie logiczne kombinatoryczne

Obwód 

Obwód 

sterowania, 

sterowania, 

proces

proces

Funkcje 

Bool’a

Funkcje 

czasu

Funkcje 

pami ci

Wej cia

Wyj cia

Parametryzacja

Obsługa

Zobrazowanie

Przetwarzanie 

Przetwarzanie 

sygnałów

sygnałów

Sterownik

Sterownik

23

Obwód 

Obwód 

sterowania, 

sterowania, 

proces

proces

Wej cia

Wyj cia

Parametryzacja

Obsługa

Zobrazowanie

Przetwarzanie 

Przetwarzanie 

sygnałów

sygnałów

Sterownik

Sterownik

Przebieg 

sekwencyjny

n

n+1

War

War

Sterowanie sekwencyjne

Obwód 

Obwód 

sterowania, 

sterowania, 

proces

proces

Wej cia

Wyj cia

Parametryzacja

Obsługa

Zobrazowanie

Przetwarzanie 

Przetwarzanie 

sygnałów

sygnałów

Sterownik

Sterownik

Dajnik czasu

n

n+1

War

War

t

n

t

n+1

Sterowanie sekwencyjne w funkcji czasu

24

Techniczne mo liwo ci realizacji układów sterowania

Układ sterowania programowany przez poł czenia

Wcze niej

Wcze niej

Obecnie

Obecnie

elektromechaniczny

elektroniczny

Zbudowany z

styczników, przeka ników, ...

tranzystorów,           

zintegrowanych 

układów scalonych, ..

Program zawarty w

okablowaniu

Zalety i wady

Wysokie zu ycie energii, du e zapotrzebowanie 

miejsca, trudna rozbudowa

Sterownik 

swobodnie 

programowalny PLC

Procesora, pami ci, 

magistrali

oprogramowaniu

Elastyczno

Zastosowanie 

Zastosowanie 

komputerowych 

komputerowych 

sterownik

sterownik

ó

ó

w 

w 

(np. 

(np. 

PLC

PLC

)

)

w uk

w uk

ł

ł

adach 

adach 

sterowania, w por

sterowania, w por

ó

ó

wnaniu z uk

wnaniu z uk

ł

ł

adami konwencjonalnymi, ma 

adami konwencjonalnymi, ma 

nast

nast

puj

puj

ce zalety:

ce zalety:

mo liwo

powtórnego wykorzystywania napisanych programów,

modu

ł

owa i blokowa budowa programów, co znacznie skraca czas 

wykonania aplikacji,
mo liwo

elektronicznego dokumentowania realizowanych 

aplikacji,
mo liwo

nadzorowania i diagnostyki podczas przebiegu procesu,

oszcz dno

czasu podczas wykonywania projektu uk

ł

adu 

sterowania i opracowywania oprogramowania,
du a niezawodno

dzia

ł

ania,

prosta i szybka instalacja oraz ma

ł

e gabaryty,

niskie koszty budowy.

Zalety zastosowania sterowników komputerowych

25

W

 u

kł

ad

ac

h 

se

kw

en

cy

jn

yc

h

W

 u

kł

ad

ac

h 

se

kw

en

cy

jn

yc

h

Tryby pracy układów sterowania

Automatyczny tryb pracy

Automatyczny tryb pracy

Oprócz przycisków „Start”, 

„Stop” i „Wył cznika 

awaryjnego” operator nie 

ma  adnych mo liwo ci 

ingerencji.

R czny tryb pracy

R czny tryb pracy

Operator wpływa na wyj cia 

układu sterowania. Blokady 

s  cz ciowo aktywne.

Cz ciowo automatyczny 

Cz ciowo automatyczny 

tryb pracy

tryb pracy

Tylko cz ci programu s  

realizowane bez 

konieczno ci ingerencji 

operatora.

Tryb ustawiania

Tryb ustawiania

Operator wpływa na wyj cia 

układu sterowania z 

omini ciem blokad. 

R cznie ustawiany tryb 

R cznie ustawiany tryb 

pracy

pracy

Ustawiany jest tylko jeden 

okre lony krok ła cucha 

przebiegów (z lub bez 

dalszych warunków).

Krokowy tryb pracy

Krokowy tryb pracy

Przez wci ni cie przycisku 

uruchamiaj cego program 

jest realizowany nast pny 

krok programu.

Ka dy układ sterowania mo e pracowa  w ró nych trybach, które wynikaj  z 

mo liwo ci ingerencji operatora

mo liwo ci ingerencji operatora. Ró ne tryby pracy s  wymagane podczas 

uruchamiania, ustawiania, serwisowania i usuwania zakłóce .

Obraz procesu 

Obraz procesu 

w pami ci 

w pami ci 

wyj ciowej

wyj ciowej

Obraz procesu 

Obraz procesu 

w pami ci 

w pami ci 

wej ciowej

wej ciowej

Program 

Program 

aplikacyjny

aplikacyjny

PLC

PLC

Proces w 

Proces w 

systemie 

systemie 

technicznym

technicznym

Sygnały do 

elementów 

wykonawczych

Sygnały z 

czujników 

(sensorów)

Cykliczna praca sterownika PLC

26

Budowa układu sterowania ze sterownikiem PLC

Moduł 

Moduł 

wyj ciowy

wyj ciowy

Moduł 

Moduł 

wej ciowy

wej ciowy

Jednostka centralna

Jednostka centralna

Zasilacz

Zasilacz

Pami  

Pami  

programu

programu

Procesor

Procesor

Urz dzenia wykonawcze/ sygnalizacyjne

Urz dzenia wykonawcze/ sygnalizacyjne

Dajniki 

Dajniki 

sygnałów

sygnałów

Zasilanie elektryczne urz dze  

Zasilanie elektryczne urz dze  

wykonawczych/ sygnalizacyjnych

wykonawczych/ sygnalizacyjnych

Zasilanie elektryczne czujników

Zasilanie elektryczne czujników

PLC

PLC

Logiczne powi zania sygnałów binarnych

Sformułowanie zadania:

relacja

Je eli 

Je eli 

-

-

To

To

Binarne sygnały wej ciowe

np. 

bariera  wietlna 

przerwana

/       

nie przerwana

czujnik zbli eniowy 

pobudzony

/ 

nie pobudzony

stan napełnienia 

osi gni ty

/      

nie osi gni ty

Czujniki  

PROCES   

Elementy wykonawcze

Powi zania 

logiczne

Zapami tywanie 

wyników 

po rednich

Znacznik 

(

merker)

np.

Realizowana obróbka/ 

nie realizowana

Binarne sygnały wyj ciowe

np. 

silnik 

wł czony

/

wył czony

zawór 

otwarty

/ 

zamkni ty

siłownik 

wysuni ty

/ 

wsuni ty

chwytak 

otwarty

/ 

zamkni ty

Realizacja wcze niej:

Realizacja wcze niej: za pomoc  elementów elektrycznych i elektronicznych ł czonych przewodami

obecnie:

obecnie: program PLC

27

Zasilanie w energi

WEJ CIA

PRZETWARZANIE

WYJ CIA

CPU

Pami  

programu 

(RAM, EPROM, 

EEPROM)

Dopasowanie 

sygnału

Przetwarzanie 

sygnału

Przetwarzanie 

sygnału

Wzmacnianie 

sygnału

Komunikacja

Sygnały 

binarne 

(logiczne)

Sygnały 

cyfrowe 

(słowa)

Sygnały 

analogowe

Sygnały 

analogowe

Sygnały 

cyfrowe 

(słowa)

Sygnały 

binarne 

(logiczne)

Schemat blokowy działania sterownika PLC

Sprz towe składniki PLC

Moduły 

wej ciowe

Moduły 

wyj ciowe

Magistrala systemowa

Pami  

programu 

(EEPROM, RAM)

CPU (Procesor 

słowowy, 

bitowy)

Interfejs 

komputerowy 

(V.24, RS485)

Pami  

systemowa 

(ROM)

Pami  

danych     

(RAM)

Zasilacz

Zasilacz

binarne, 

binarne, 

analogowe 

analogowe 

i  cyfrowe 

i  cyfrowe 

sygnały

sygnały

binarne, 

binarne, 

analogowe 

analogowe 

i cyfrowe 

i cyfrowe 

sygnały

sygnały

Wł czniki

Przyciski

Bariera  wietlna

.

.

.

M

924

Zawór

Lampka

Silnik

Wska nik

.

.

.

28

Zastosowanie sterowników PLC

PLC

PLC

Zmieniacz 

narz dzi

Transport 

przedmiotów

Ciecz 

chłodz co-

smaruj ca

Transporter 

wiórów

Blokady

Obrabiarki

Technika 

procesowa

Budowa 

instalacji

Przemysł 

poligraficzny

Przemysł 

tekstylny

. . .

Wej cie

Wej cie

Przetwarzanie/ pami

Przetwarzanie/ pami

Wyj cie

Wyj cie

Moduł jednostki centralnej

Pami  programu

Mechanizm steruj cy

Znaczniki

Obraz procesu

Akumulator

Człony czasowe

Liczniki

Jednostka przetwarzaj ca

Jednostka przetwarzaj ca

Magistrala

Magistrala

JEDNOSTKA 

JEDNOSTKA 

WEJ CIOWA

WEJ CIOWA

JEDNOSTKA

JEDNOSTKA

WYJ CIOWA

WYJ CIOWA

Czujniki/sensory

Czujniki/sensory

Człony wykonawcze/ 

nastawiaj ce

Proces techniczny

Proces techniczny

Urz dzenie steruj ce

Urz dzenie steruj ce

D

o

p

a

s

o

w

a

n

i

e

S

S

Y

Y

G

G

N

N

A

A

Ł

Ł

Y

Y

S

S

Y

Y

G

G

N

N

A

A

Ł

Ł

Y

Y

D

o

p

a

s

o

w

a

n

i

e

Zasilanie

Schemat uk

ł

adu sterowania ze sterownikiem 

swobodnie programowalnym PLC

29

Zasi-

lacz

Pozostałe 

moduły

Cyfrowe 

wej cia

Cyfrowe 

wyj cia

Analogowe

wej cia

Analogowe

wyj cia

Słowowy 

CPU

Bitowy 

CPU

Pami

Moduł 

komunika-

cyjny

Magistrala systemowa

Magistrala systemowa

...

Problem:

Problem: Magistrala systemowa jest prawie zawsze specyficzna (firmowa) dla sterownika

Mo liwo :

Mo liwo : Magistrala VME (standaryzowana, niezale na od producenta)

Schemat blokowy wieloprocesorowego sterownika PLC

Sposób działania sterownika PLC

Cykliczne przetwarzanie programu

Cykliczne przetwarzanie programu

PLC

PLC

Utworzenie stanu pocz tkowego

Zał czenie

Aktualizacja sygnałów wej ciowych

Wykonanie 1. instrukcji 

Wykonanie 2. instrukcji 

Wykonanie ostatniej  instrukcji 

Transmisja sygnałów wyj ciowych

. . .

Zapis wyj

Zapis wej

Fi

zy

cz

n

y 

pr

oc

es

C

za

s 

w

yk

on

an

ia

 je

dn

eg

o 

pe

łn

eg

o 

cy

kl

u 

pr

og

ra

m

u

C

za

s 

pr

ze

bi

eg

u 

pr

og

ra

m

u

30

Cykliczne przetwarzanie programu

Cykliczne przetwarzanie programu

PLC

PLC

Odczyt wej

Odczyt wej

Instrukcja

Wywołanie podprogramu 1

Instrukcja
Instrukcja
Instrukcja

Wywołanie podprogramu n

Instrukcja

Ustawienie wyj

Ustawienie wyj

Instrukcja

. . .

Podprogram 1

Instrukcja

. . .

Powrót

Podprogram n

Instrukcja

. . .

Powrót

Realizacja programu w sterowniku PLC

000  AND 

I 1.0

001   AND 

I 1.1

002 

= 

Q 1.0

003 OR 

I 2.0

059 OR 

I 3.2

060 = 

Q 1.0

END

Mechanizm 

steruj cy

Rejestr 

instrukcji

Merker’y

Wewn trzne 

czasy

Wewn trzne 

liczniki

Obraz procesu 

dla cyfrowych     

i analogowych 

wej  i wyj

Wej cia 

cyfrowe 

i analogowe

Wyj cia 

cyfrowe      

i analogowe

Moduły 

czasowe     

i liczniki

Magistrala urz dze  peryferyjnych (moduł magistrali)

Jednostka centralna (CPU) sterownika PLC

31

%I1
%I2
%I3

itd.

Moduł 

wej cio-

wy

%Q1
%Q2
%Q3
itd.

Moduł 

wyj cio-

wy

Aktualiza-

cja stanu 

wyj

Aktualiza-

cja stanu 

wej

Pami  

danych

RAM

Wej cia

%I1   0
%I2  0
%I3     1

%Q1     0
%Q2     0
%Q3     1

Adres

Stan

Adres

Stan

Wyj cia

CPU

CPU

Licznik 

rozkazów

ALU

Rejestr 

rozkazów

Rejestry 

robocze

LD %I1

000

Program 

u ytkownika 

w pami ci 

RAM lub 

EPROM

Adres

Rozkaz

000   LD %I1     

001   AND %I2   

002   ST %Q1     

003   itd. 

n    END

Wej cia

Wyj cia

Magistrala systemowa

+

Schemat ideowy sterownika PLC

Sensory, dajniki sygnałów

Sterownik

Moduł 

wprowadzania

Moduł 

wyprowadzania

Jednostka 

przetwarzaj ca

Obraz 

procesu

Merker

AKKU

Licznik 

adresów

Człony 

czasowe

Człony wykonawcze (

aktuator’y)

M

ec

ha

ni

zm

 

M

ec

ha

ni

zm

 

ob

lic

ze

ni

ow

y

ob

lic

ze

ni

ow

y

Separacja galwaniczna

Separacja galwaniczna

Magistrala

Magistrala

I

/

Q

Budowa sterownika PLC

32

Wyprowadzenie 

Wyprowadzenie 

odwzorowania 

odwzorowania 

procesu z 

procesu z 

pami ci wyj

pami ci wyj

Załadowanie 

Załadowanie 

odwzorowania 

odwzorowania 

procesu do 

procesu do 

pami ci wej  

pami ci wej  

Realizacja 

Realizacja 

programu

programu

Pocz tek 

Pocz tek 

1. cyklu

1. cyklu

Pocz tek 

Pocz tek 

2. cyklu

2. cyklu

Pocz tek 

Pocz tek 

3. cyklu

3. cyklu

Pocz tek 

Pocz tek 

4. cyklu

4. cyklu

Zdarzenie 

Zdarzenie 

w procesie

w procesie

Reakcja na 

Reakcja na 

zdarzenie 

zdarzenie 

w procesie

w procesie

Czas reakcji

Czas reakcji

Przebieg cyklicznego wykonywania programu PLC

Sposób działania sterownika PLC

Okre lenie maksymalnego czasu reakcji:

Okre lenie maksymalnego czasu reakcji:

Czas cyklu PLC jest w przybli eniu 

proporcjonalny do liczby wykonywanych 

instrukcji programu.
Zale nie od tego, jakie gał zie w programie 

s  wykonywane, uzyskuje si  ró ne czasy 

cyklu.

Rozpatrywanie

Worst-Case:

Je eli wkrótce po rozpocz ciu cyklu PLC 

zmieni si  sygnał wej ciowy, to jest to 

uwzgl dniane dopiero w nast pnym cyklu po 

aktualizacji wej ciowych stanów procesu.
Reakcja, tzn. wyprowadzenie odpowiednich 

sygnałów wyj ciowych, nast puje dopiero po 

zako czeniu tego drugiego cyklu – przy 

aktualizacji wyj ciowych stanów procesu.

Podstaw  przy 

okre laniu 

maksymalnego 

czasu reakcji jest 

maksymalny czas 

cyklu.

Maksymalny czas 

reakcji osi ga 

prawie dwukrotn  

warto

maksymalnego 

czasu cyklu.

1

2

33

Sprz t sterownika PLC

Minimalna konfiguracja sterownika PLC obejmuje:

Minimalna konfiguracja sterownika PLC obejmuje:
• jednostk  centraln  z procesorem i pami ci  (CPU),
• jednostki wej ciow  

I 

I i wyj ciow  

O 

O dla sygnałów binarnych,

• zasilacz.

Najcz ciej istnieje mo liwo  rozszerzenia sprz tu PLC o:

Najcz ciej istnieje mo liwo  rozszerzenia sprz tu PLC o:
• dodatkowe jednostki wej  i wyj  (np. analogowe I/O, interfejs sieciowy),
• moduły dodatkowe dla szczególnych zada  (np. regulator PID).

Przykładowa konfiguracja modułowego PLC

Zasilacz

CPU

Inter-

fejs

siecio-

wy

Modu-

ły 

I/O

Uwaga:

Zakres funkcyjny 

obecnych sterowników PLC 

obejmuje znacznie wi ksze 

mo liwo ci przetwarzania 

ani eli tylko zwykłe działania 

logiczne na sygnałach 

binarnych!

Programatory sterowników PLC

Sterownik swobodnie programowalny PLC:

Sterownik swobodnie programowalny PLC:
• programy 

nie mog  by

zmieniane podczas ich 

wykonywania,
• dlatego te  PLC zwykle nie ma monitora i klawiatury,
• zamiast tego stosuje si  zewn trzne programatory.

Przeno ny programator 

na bazie 

mikrokomputera:
• zintegrowany monitor,
• programator EPROM. 

Prosty r czny 

programator :
• wy wietlacz LCD,
• klawisze funkcyjne.

Standardowy komputer 

PC:
• handlowy PC,
• system programowania 

dla PLC.

34

Programowanie PLC

J zyki programowania PLC wg PN

J zyki programowania PLC wg PN

-

-

EN 61131

EN 61131

-

-

3

3

Lista 

Lista 

instrukcji

instrukcji

(

Instruction 

List)

IL

IL

Tekst 

Tekst 

strukturalny

strukturalny

(

Structured 

Text)

ST

ST

Schemat 

Schemat 

drabinkowy

drabinkowy

(

Ladder

Diagram)

LD

LD

J zyk 

J zyk 

modułów 

modułów 

funkcyjnych

funkcyjnych

(

Function 

Block Diagram) 

FBD

FBD

J zyk 

J zyk 

przebiegów 

przebiegów 

funkcyjnych

funkcyjnych

(

Sequential 

Function

Chart)

SFC

SFC

Start:

LD

A

AND

B

OR 

C

ST

D

...

IF

i = k 

THEN

...

ELSE

....

Q 2.4

I 1.2 I 2.2

I 5.4

Q 8.3

&

3

1

I 3.4

I 3.1

M 2.5

Q 4.3

S 1

S 2

S 8

T 1

T 8

T 9

T 2

J zyki tekstowe

J zyki graficzne

Zorientowane na działania logiczne

Zorientowany na 

działania 

sekwencyjne

Przykład programowanie PLC w ró nych j zykach

I1.1 I1.0

I1.2

I1.0 I1.1 I1.2

Q2.0

Q2.1

>=1

&

&

I1.1

I1.0

I1.2

I1.0
I1.1

I1.2

Q2.0

Q2.1

0000   

LDN

I1.1

0001   

ORN

I1.2

0002   

AND

I1.0

0003    

ST 

Q2.0

0004     

LD

I1.0

0005    

ANDN

I1.1

0006    

ANDN

I1.2

0007     

ST

Q2.1

Program w 

Program w 

schemacie 

schemacie 

drabinkowym LD

drabinkowym LD

Program w 

Program w 

modułach 

modułach 

funkcyjnych FBD

funkcyjnych FBD

Program w li cie 

Program w li cie 

instrukcji IL

instrukcji IL

35

Przykład układu sterowania prac  nawrotn  asynchronicznego 

silnika elektrycznego (technika przeka nikowo-stycznikowa)

Obwód sterowania

Obwód sterowania

S1, S2 – cewki styczników 

S1

S1 i 

S2

S2,

s1, s2 – styki pomocnicze styczników 

S1

S1 i 

S2

S2,

PT1, PT2 – styki przeka ników termicznych 

PT1

PT1 i 

PT2

PT2.

S1

WYŁ

ZAŁ 1

ZAŁ 1

w 

prawo

PT1

s2

S2

ZAŁ 2

ZAŁ 2

w 

lewo

PT2

s1

= 24 V (~230V)

s1

s2

Podtrzymanie

Blokada

Styki główne 

Styki główne 

stycznika 

stycznika 

S1

S1

(

(

ruch w prawo

ruch w prawo

)

)

Bezpieczniki

Bezpieczniki

Grzejniki 

Grzejniki 

przeka nika 

przeka nika 

termicznego

termicznego

PT1

PT1

M

M

3~

3~

R

R

S

S

T

T

0

0

Styki główne 

Styki główne 

stycznika 

stycznika 

S2

S2

(

(

ruch w lewo

ruch w lewo

)

)

Obwód pr dowy

Obwód pr dowy

3 x 400 V

Grzejniki 

Grzejniki 

przeka nika 

przeka nika 

termicznego

termicznego

PT2

PT2

Ograniczanie przepi  podczas wył czania styczników

Obci enie 

indukcyjne

U~

U

A1

A2

Człon gasz cy - warystor

U~

R

A1

A2

Człon gasz cy – obwód RC

C

Człon gasz cy – dioda

U

A1

A2

V

Stycznik

Wsuwany człon gasz cy z diod

36

Sterowanie sekwencyjne jednostk  wiertarsk  –

programowanie przez poł czenia

ŁD1

ŁD1

ŁD2

ŁD2

S1

S1

ŁD3

ŁD3

S2

S2

ŁD2

ŁD2

ŁD1

ŁD1

S3

S3

ŁD3

ŁD3

WYŁ

WYŁ

ZAŁ

ZAŁ

s1

s2

s3

s1

Fazy (kroki) cyklu pracy jednostki:

Fazy (kroki) cyklu pracy jednostki:
1 – ruch szybki do przodu,
2 – ruch roboczy,
3 – szybkie wycofanie

Układ przeka nikowo

Układ przeka nikowo

-

-

stycznikowy

stycznikowy

Jednostka wiertarska – zespół posuwowy

1

1

2

2

3

3

ŁD1

ŁD1

ŁD2

ŁD2

ŁD3

ŁD3

Zderzak

Zderzak

ŁD1, ŁD2, ŁD3 – ł czniki drogowe,

S1, S2, S3 – cewki styczników

s1, s2, s3 – styki pomocnicze styczników.

Podtrzymanie 

(styki zwierne)

Blokady 

(styki 

rozwierne)

Stan: pocz tek cyklu

s2

s3

Program PLC sterowania prac  jednostki wiertarskiej 

w schemacie drabinkowym LD

WYŁ

WYŁ

ZAŁ

ZAŁ ID1 ID2 s2

S1

s1

Faza cyklu:

Faza cyklu:

1

1

WYŁ

WYŁ

s3

ID2 ID3

S2

s2

Faza cyklu:

Faza cyklu:

2

2

ID3

WYŁ

WYŁ

S3

ID1

s1

s3

Faza cyklu:

Faza cyklu:

3

3

ID1, ID2, ID3 – inicjatory drogowe, 

np. indukcyjne czujniki zbli eniowe

Jednostka wiertarska –

zespół posuwowy

1

1

2

2

3

3

ID1

ID1

ID2

ID2

ID3

ID3

Zderzak

Zderzak

1

1

0

0

1

1

0

0

1

1

0

0

37

Przykład: nale y zrealizowa  układ przeł czania 

gwiazda

gwiazda

-

-

trójk t

trójk t (           ) podczas 

rozruchu silnika. Stycznik 

K1

K1

podaje napi cie z sieci elektrycznej, stycznik 

K2

K2

zapewnia poł czenie uzwoje  silnika w gwiazd , a stycznik 

K3

K3

ich poł czenie w 

trójk t. Silnik powinien pracowa  dla poł czenia w gwiazd  przez czas 

3 s

3 s

, a 

nast pnie zosta  przeł czony w trójk t. 

V1

U1

W1

V2 U2

W2

V1

U1

W1

W2

V2

U2

IN

TOF

ET

PT

Q

Wej cie

Wyj cie

Czas 

opó nienia

Opó nienie wył czania

Rozruch silnika – przeł czanie gwiazda/trójk t

IN

TON

ET

PT

Q

Wej cie

Wyj cie

Czas 

opó nienia

Opó nienie zał czania

Upływ czasu 

opó nienia

IN

TOF

ET

PT

Q

T#3s

ON

ON

OFF

OFF

K1

K1

K2

K2

K3

K3

K1

K1

K2

K2

K1

K1

Zał. K1 i K2

Zał. K1 i K2

Zał. K1 i K3

Zał. K1 i K3

K1

K1

L1
L2
L3

U1
V1
W1

W2
U2
V2

K3

K3

K2

K2

M

M

3

3

~

~

Logiczne kombinatoryczne i sekwencyjne układy 

sterowania na PLC

Sterowanie logiczne kombinatoryczne:

Sterowanie logiczne kombinatoryczne:

• sygnały wej ciowe s  cyklicznie odczytywane i w ka dym cyklu jest im 

przyporz dkowywany jednoznaczny stan sygnałów wyj ciowych,

•

przykład:

alarm akustyczny jest uruchamiany, gdy 

wentylator 1

ma awari

I

I

wentylator 2

ma awari

I

I

agregat jest zał czony

,

• pomi dzy przyczyn  i zadziałaniem upływa do dwóch cykli PLC.

Sterowanie sekwencyjne:

Sterowanie sekwencyjne:

• przebieg krokowy

:

:

n+1

n+1

krok mo e wyst pi  dopiero wtedy, gdy jest zako czony 

krok 

n

n

i spełnione s  warunki dalszego przeł czenia,

• je eli program jest podzielony na kroki, to s  one w nim wykonywane cyklicznie,

•

•

sterowanie sekwencyjne w zale no ci od czasu:

sterowanie sekwencyjne w zale no ci od czasu: warunki dalszego przeł czania 

s  zale ne tylko od upływu czasu (np. sterowanie sygnalizacji  wietlnej),

•

•

sterowanie sekwencyjne zale ne od procesu:

sterowanie sekwencyjne zale ne od procesu: warunki dalszego przeł czania s  

zale ne od sygnałów procesu (np. sterowanie wielu siłowników w funkcji drogi).

Cz sto wyst puj  oba rodzaje sterowania (mieszane)!

38

Zalety opracowywania programów PLC 

zgodnie z norm  

PN

PN

-

-

EN 61131

EN 61131

-

-

3

3

Wymiana do wiadcze  i technologii pomi dzy 

producentami sprz tu i oprogramowania,
Wymienialno  programów aplikacyjnych pomi dzy 

równymi systemami PLC,
Mniejsze nakłady na szkolenie i wdra anie 

programistów PLC,
Niezale ny od producentów PLC rozwój dodatkowych 

pakietów, takich jak np. do obsługi i obserwacji,
Testowanie i weryfikacja systemu przez niezale ne, 

uznane w skali mi dzynarodowej instytucje.

Mo liwe skutki bł dów w programach PLC

Zale nie od tego w jakiej fazie realizacji projektu automatyzacji zostanie wykryty bł d 

w programie PLC mo e on mie  ró ne skutki:

U 

U 

producenta 

producenta 

maszyny

maszyny

U 

U 

u ytkownika 

u ytkownika 

maszyny

maszyny

Opracowanie 

programu

Uruchamianie 

maszyny

Eksploatacja 

maszyny

• (małe) nakłady na usuwanie bł dów,
• (małe) opó nienia w projekcie,

• uszkodzenia maszyny,
• opó nienie odbioru maszyny

(> 

zamro enie kapitału, straty w wyniku kar),

• nakłady producenta maszyny na 

usuwanie bł dów u jej u ytkownika,

• przestoje w produkcji,
• utrata image producenta maszyny.

Zaleca si :

Zaleca si :
• tworzenie w miar  mo liwo ci bezbł dnych programów PLC (przez systematyczne 

działania podczas ich opracowywania),

• wykrywanie bł dów przed dostarczeniem maszyny (przez obszerne testy programu).

39

Testowanie i uruchamianie programów PLC

rodowisko programowania: 

edytor, debugger, kompilator, symulacja
Konfigurator systemu: 

przyporz dkowanie tasków, 

dopasowanie adresów sprz tu, 

parametryzacja.

Manager komunikacyjny:                                          

transmisja programu PLC do sterownika

Uruchamianie i zatrzymywanie PLC                              

Wył czanie fizycznych wyj  PLC
Monitorowanie: 

wy wietlanie statusu zmiennych,                                 

czytanie danych systemowych PLC, informacji komunikacyjnych i 

sieciowych.
Forcing:

„wymuszanie” okre lonych obszarów pami ci PLC, 

symulacja stanów maszyny dla sprawdzenia realizacji 

poszczególnych cz ci programu.

I

O

PLC

Testowanie programów PLC

rodowisko 

testowania

Programista

rodowisko 

rozwojowe

• Rozwój testu, tzn. 

planowanie 

przeprowadzanych 

testów.

• Obserwacja i 

ocena przebiegu 

testów.

• Porównanie 

przebiegów ze 

specyfikacj .

• Analiza bł dów, 

analiza programu.

Programator i 

urz dzenie do 

testowania:

• debugowanie z 

Power-Flow.

Odwzorowanie 

warunków 

technicznych 

przebiegu procesu  

dla sterowania:

• proste wł czniki i 

wy wietlacze 

(lampki), 

potencjometry i 

silniki,

• modele (cz stkowe) 

instalacji/ maszyny,

• systemy 

symulacyjne.

PLC:
• moduły wej ciowe 

i wyj ciowe,

• cykliczny sposób 

pracy.

Aktualny stan 

procesu

Zadawanie 

sygnałów

Wyj cia

Wej cia

40

Przykłady bł dów i podejmowanych działa

Bł dy w komputerze (sterowniku):

Bł dy w komputerze (sterowniku):
Do czasu uruchomienia, np.:
• bł dy specyfikacji,
• bł dy wymiarowania, 
• bł dy programowania,
• bł dy wytworzenia kodu.
Po uruchomieniu, np.:
• bł dy w pami ci (RAM, ROM),
• bł dy w CPU,
• bł dy w modułach I/O,
• bł dy  wskutek zmian programu.

Działania dla unikni cia bł dów:

Działania dla unikni cia bł dów:
• zastosowanie CASE-Tools,
• projektowanie strukturalne,
• sprawdzanie EMC( ang. 

Elektromagnetic Compatibility),

• symulacja,
• analiza programu,
• sprawdzanie wzorcowej budowy,
• ró norodne zespoły rozwojowe. 

Działania dla opanowania bł dów:

Działania dla opanowania bł dów:
• redundantny Hardware,
• redundantny

Software,

• testy pami ci,
• testy I/O, 
• testy CPU,
• ponownie wczytywane wyj cia.

Rozkład bł dów w instalacjach sterowanych przez PLC

100

90
80
70
60
50
40
30
20
10

0

U

dz

ia

ł a

w

ar

ii 

w

 %

Instalacja 

PLC

CPU

90

90

5

5

95

95

10

10

25

25

25

25

25

25

25

25

Dajniki

sygnałów
Urz dzenia 

nastawiaj ce
Nap dy
Okablowanie

Moduły 

wej  i 

wyj

Pami

Mechanizm 

steruj cy

Magistrala

Zasilanie w 

napi cie

PLC

PLC

CPU

CPU

41

PHARAO 24DC

PHARAO 24DC

Theben

LOGO 230RC

LOGO 230RC

Siemens

ALPHA XL

ALPHA XL

Mitsubishi

KST 2032

KST 2032

Hensel-Electronic

EASY 800

EASY 800

Moeller

ZELIO 

ZELIO 

-

-

Logic

Logic

Schneider-Electric

Przykłady kompaktowych sterowników PLC

-

IP 65

-

-

IP 20

IP 20

Stopie ochrony

Picosoft

Support ZEN

Pharao

Alpha-Software

Easy Soft

Logo Soft

Narz dzie do programow.

Logika, licznik, 

czasy, porów.

b.d.

Logika, licznik, 

czasy, porów.

Logika, licznik, 

czasy, porów.

Logika, licznik, 

czasy, artytmet.

Logika, licznik

Funkcje

Zegar

Zegar, 17 kl.

Zegar

Kalend., zegar

Kalendarz, zegar

Kalendarz, zegar

Pozosta

ł

e cechy

-

0 ... +55

o

C

-25 ... +55

o

C

-25 ... +55

o

C

-25 ... +55

o

C

0 ... +55

o

C

Temperatura otoczenia

-

-

-

5kByte

-

-

Pami

danych

-

-

200

200

-

-

Program. bloki funkcyjne

-

-

38

38

-

-

Zintegrowane  funkcje

126x110x70

220x185x120

125x90x22

125x90x52

108x90x72

72x90x55

Wymiary sz x w x gł w mm

-

34

24

28

20

-

Mo liwo

rozszerz. I/O

-

-

-

-

1 (opcjonalnie)

-

Wyj cia analogowe

-

-

-

-

-

-

Separacja galwaniczna

8 

przeka nikowe

6 przeka nik., 

2 binarne

9 (przeka nik., 

4 x 8A, 5 x 4A)

9 (przeka nik.)

6 lub 8 (przeka .

lub tranzystor.)

4 (przeka nikowe)

Wyj cia cyfrowe

-

-

-

-

-

-

Separacja galwaniczna

2 x 0 ... 10V

8 x 0 ... 5V

8

8

4 (opcjonalnie)

-

Wej cia analogowe

Tak

-

-

Nie

Separacja galwaniczna

12

8

15

15

12

8

Wej cia cyfrowe

24V DC

24V i 230V AC

24V DC

230V AC

24V DC

24V DC

100 - 240V AC

12V  i 24V DC

115V i 240V AC

115V AC, 240V 

AC/DC

Zasilanie pr dowe

Schneider El.

Hensel Elekt. 

Theben

Mitsubishi

Moeller

Siemens

Producent

Zelio Logic 

KST2032

Pharao

24DC

Alpha XL

Easy 800

LOGO 230RC

Typ

Przykłady kompaktowych sterowników PLC

42

Podzia

Podzia

ł

ł

sterownik

sterownik

ó

ó

w PLC:

w PLC: ma

ł

e (odpowiadaj ce 50-150 przeka ników), rednie (odpowiadaj ce 150-500 

przeka ników) oraz - du e (odpowiadaj ce 500-3000 przeka ników).

Ponadto s oferowane sterowniki PLC o 

zwi kszonej niezawodno ci (z redundancj ), przeka niki (modu

ł

y) inteligentne (mikrosterowniki), sterowniki 

PLC zintegrowane z panelem operatorskim oraz sterowniki na bazie komputerów PC (Slot-PLC i Soft-PLC).

Liczba wej /wyj  (I/O) w poszczególnych modelach sterowników PLC ci gle ro nie i dlatego te  przy ich 

porównywaniu nale y bra  pod uwag  zakres funkcjonalny.

Rodziny sterownik

Rodziny sterownik

ó

ó

w (

w (

ang.

ang.

family concept

family concept

) charakteryzuj

) charakteryzuj

si

si

tym, 

tym, 

e ich okre

e ich okre

lone modele:

lone modele:

- mog by programowane w tym samym j zyku i przy u yciu tego samego pakietu programowego,

- maj takie same zmienne programowe oraz t sam struktur modu

ł

ów I/O,

- istnieje mo liwo

przenoszenia programów mi dzy poszczególnymi modelami sterowników oraz 

korzystania z tych samych opcji w ka dym z modeli.

Ranking producent

Ranking producent

ó

ó

w sterownik

w sterownik

ó

ó

w PLC jest nast

w PLC jest nast

puj

puj

cy:

cy:

- mikrosterowniki PLC:

Siemens, Mitsubishi, Allen-Bradley, GE Fanuc,

- ma

ł

e i  rednie PLC:

Siemens, Mitsubishi, Allen-Bradley, Omron, GE Fanuc,

- du e sterowniki PLC:

Allen-Bradley, Siemens, Modicon, GE Fanuc,

- PLC o zwi kszonej niezawodno ci:

Triconex, August, Triplex,

- nadzorowanie PLC i interfejsy programowe: 

Intellution, US Data, Wonderware, Iconics, Heuristics 

(Onspec) oraz Laboratory Technologies.

Klasyfikacja i producenci sterowników PLC

Sterowniki starego typu

Sterowniki starego typu

Sterowniki starszego typu

Sterowniki starszego typu

Nano: 

poni ej 15 I/O

Nano: 

0 – 64 I/O

Mikro: 

16 - 128                     

Mikro: 

65 - 128

rednie: 

129 - 511

rednie: 

129 – 256

Du e:

512 i wi cej

Du e: 

256 i wi cej

Klasy układów sterowania ze sterownikami PLC

Kompaktowe PLC

Modułowe PLC

Soft-PLC

CNC

PLC

Silniki

Człony 

wykonawcze 

Sensory

Rozproszony układ sterowania

PLC

PLC

PLC

PLC

PLC

PLC

PLC

PLC

PLC

PLC

Master

Slaves

Magistrala 

szeregowa

O

I

Magistrala 

szeregowa

Przemysłowy PC

Zintegrowane PLC

Silniki

Człony 

wykonawcze 

Sensory

Magistrala 

równoległa

CNC

PLC

C

P

U

Pami

I

I

Q

Q

I

I

C

C

P

P

U

U

I

I

Q

Q

Q

Q

43

Cechy charakterystyczne PLC

Sterownik PLC jest specjalnym systemem komputerowym do realizacji zada  

automatyzacji, które s  rozwi zywane przewa nie przez binarne układy sterowania 

logicznego i sekwencyjnego.

Typowymi cechami charakterystycznymi PLC s :
• obszar zastosowa : automatyzacja z pomiarami, sterowaniem i regulacj  (PSR),
• odporna budowa urz dzenia dla pracy w surowych warunkach produkcyjnych,
• odporno  na działanie  rodowiska, du a odporno  na zakłócenia i niezawodno ,
• okre lone przebiegi w przypadku zakłóce  i ponownym uruchomieniu,
• brak pami ci masowych takich jak twardy dysk czy CD-ROM, 
• binarne, analogowe i cyfrowe wej cia i wyj cia (najcz ciej odkłócone, z separacj  

galwaniczn  i odporne na zwarcie),

• komunikacja z innymi (sterownikami) przez systemy magistralowe (sieciowe),
• brak lub proste i odporne urz dzenia obsługi (HMI),
• programowanie za pomoc  oddzielnego programatora lub PC,
• zorientowane na aplikacje j zyki programowania (IL, LD, FBD, ST,SFC),
• cykliczne wykonywanie programu. 

Rodzaje budowy sterowników PLC

Konwencjonalny PLC

Zintegrowany ze sterowaniem

Slot-PLC w PC

Soft-PLC z PC

Zalety:

Zalety:
• du a odporno , 
• wysoka niezawodno .

Wady:

Wady:
• funkcje obsługowe na zewn trz,
• komunikacja wymaga du ych nakładów.

Bazowe układy sterowania:

Bazowe układy sterowania:
• układy sterowania 

numerycznego CNC (ang. 

Computerized Numerical

Control),  

• układy sterowania 

robotów RC (ang. 

Robot 

Control).

Wady:

Wady:
• elastyczno  zmniejsza niezawodno ,
• I/O przył czane tylko przez sie .

Wady:

Wady:
• I/O przył czane tylko przez sie .
• koszty karty PLC.

Zalety:

Zalety:
• elastyczno  PC,
• dobrze realizowalne funkcje 

obsługowe,

• ró norodna komunikacja

.

Zalety:

Zalety:
• odporno  i niezawodno  dzi ki 

specjalnym kartom PLC, 

• cz

 stanowi ca PC dla funkcji 

obsługowych i komunikacyjnych

.

44

Zmiany zachodz ce w rozwoju uk

ł

adów sterowania 

i szanse zastosowania IT (ang. 

Information Technology)

1970

1980

1990

2000

Rok

Rok

Udział zastosowa

Udział zastosowa

100%

Komputery przemysłowe

Komputery przemysłowe

PLC

PLC

Układy sterowania w 

Układy sterowania w 

technice 

technice 

przeka nikowej 

przeka nikowej 

(sprz towe)

(sprz towe)

Układy 

Układy 

Soft

Soft

-

-

PLC

PLC

Sieci 

Sieci 

Fieldbus

Fieldbus

, 

, 

Inteligentne moduły I/O

Inteligentne moduły I/O

Komputery IPC

Komputery IPC

18 

16 

14 

12 

10 

8 

6 

4 

2 

0 

 

Warto  sprzeda y [bln $] 

18 

16 

14 

12 

10 

8 

6 

4 

2 

0

 

 

Liczba jednostek [mln szt.] 

1990   1991   1992   1993    1994    1995    1996    1997    1998   1999   2000 rok 

Rozwój  wiatowego rynku sterowników PLC

45

Soft-PLC

(Windows NT)

InControl

Wonderware

Sprz towy PLC
Soft-PLC

PLC5, Logix500
SoftLogix5

RSLogix5

Rockwell 

ControlLogix

(Rockwell Automation)

Sprz towy PLC
Slot-PLC
Soft-PLC

S7-SPS
S7-Slot-SPS
S7-Soft-SPS (WinNT)

Step 7
Win AC Pro
Win AC Basis

Siemens

Step 7 (Siemens)

Sprz towy PLC
Sprz towy PLC

(OS-9)

SMART I/O

PEP
OR Indus. Comp

.

ISaGRAF

(CJ International)

Sprz towy PLC
Sprz towy PLC
Sprz towy PLC

FP
A, FX
MAS 700

NAisControl
MELSEC MEDOC
Selecontrol

Matsushita
Mitsubishi
Selectron

Soft Control (Softing)

Slot-PLC

Interbus-Controller

PC Worx

Phoenix Contact

MULTIPROG wt

(Klöper&Wiege)

Sprz towy PLC
Soft-PLC 
Sprz towy PLC
Soft-PLC
Sprz towy PLC

M1
PC (Windows NT)
Fieldbuscontroler
VME (RTOS-UH)
S5, S7

TwinCat

CoDeIEP
ACCON-ProSys

Bachmann
Beckhoff

ATR/IEP
DELTALOGIC

CoDeSys (Smart 

Software Solutions)

Typ PLC

System docelowy

Produkt

Producent

System bazowy

Systemy programowania sterowników PLC i ich 

platformy docelowe

Głównymi cechami sterowników PAC s :

Głównymi cechami sterowników PAC s :

wspomaganie ró nych funkcji automatyzacji, ł cznie z logik , 

ruchem, nap dem i sterowaniem procesów z jednolit  platform ,

jest tylko jedna platforma aplikacyjna dla wielu dziedzin ze 

wspólnymi nazwami dni i centralnym bankiem danych dla dost pu 

do wszystkich parametrów i funkcji,

narz dzia programowe, które umo liwiaj  projektowanie 

zorientowane na przebieg procesu dla wielu maszyn lub jednostek 

zwi zanych z realizacj  procesu,

otwarte, modułowe architektury, które s  oparte na procesach 

wytwarzania – od 

Layout’u maszyn w fabrykach a  do jednostek 

produkcyjnych w instalacjach realizuj cych procesy,

stosowanie standardów 

de-facto dla interfejsów sieci 

komunikacyjnych i j zyków (np.: TCP/IP, OPC, XML i j zyka 

zapyta  SQL), tak  e w systemach sieciowych mo liwa jest 

wymiana danych mi dzy urz dzeniami ró nych producentów. 

Wymiana informacji poza proces produkcyjny oraz  wł czenie 

zakładu wytwórczego do aplikacji ERP i zarz dzania produkcj  na 

poziomie przedsi biorstwa zapewniaj  warunki dla tzw. 

„

Colaborative Manufacturing”.

Dzi ki zintegrowanemu  rodowisku PAC u ytkownicy mog  zmniejszy

swoje koszty in ynierskie, natomiast oferenci maj  mo liwo  

dostarczania wi kszej funkcjonalno ci na jednolitej platformie (z jednej 

r ki).  daniem  wielu u ytkowników jest mo liwo  lepszego 

nadzorowania i sterowania poł czonych ze sob  urz dze . Ponadto 

nie chcieliby si  oni koncentrowa  na wyborze sprz tu, lecz na 

pierwszym planie mie  do dyspozycji całe mo liwo ci. W obu tych 

przypadkach sterowniki PAC zapewniaj  rozwi zanie. 

Architektura PAC  (ang.

Programmable Automation Controller)

Polepszona integracja architektur urz dze  automatyzacji skłoniła niektórych ich oferentów do opracowania architektury 

sterowników PAC (ang. 

Programmable Automation Controller). PAC rozszerza funkcjonalno  tradycyjnego sterownika PLC, w 

którym wspomaganych jest wiele dziedzin sterowania. 

Przykładami sterowników PAC s :

Przykładami sterowników PAC s : „CX1000” firmy

Beckhoff, „Rodzina-S7” Siemens’a, „ControlLogix” 

Rockwell Automation lub „PACSystems” firmy GE 

Fanuc Automation.

Wspólny 

kalendarz, 

centralny bank 

danych

Sie  

urz dze

Sie  

sterowania

Logika

HMI

Sterowanie 

procesem

Ruch

Nap dy

Sie  

ruchu

HMI

DCS

Nap dy

Sterowanie 

ruchem

Wspólna 

platforma 

aplikacyjna

Logika

Wspólny 

kalendarz, 

centralny bank 

danych

46

Separacja galwaniczna układów elektronicznych 

sterownika PLC za pomoc  optoizolatorów

Wej cie

Elektronika PLC

Optoizolator

24V

Wyj cie

+24V

PLC

PLC

+5V

Przyczyny wypadków przy pracy na maszynach

50% - zachowanie ludzi

26% - przyczyny techniczne

12% - przyczyny 

psychologiczne

11% - przyczyny organizacyjne

1% - stanowisko pracy

Połowa wszystkich  miertelnych wypadków przy pracy wynika       

Połowa wszystkich  miertelnych wypadków przy pracy wynika       

z zachowania si  obsługi (operatora)!

z zachowania si  obsługi (operatora)!

47

• bezpiecze stwo oznacza odpowiedni stopie  ryzyka,
• wg normy „...

Stan, w którym ryzyko nie jest wi ksze ni  ryzyko graniczne“.

Absolutne bezpiecze stwo w technice nie jest mo liwe do uzyskani

Absolutne bezpiecze stwo w technice nie jest mo liwe do uzyskani

a!

a!

Bezpieczny układ sterowania musi by  wykonany w taki sposób,  eby 

bł dy elementów składowych tego układu i inne mo liwe działania nie powodowały 

niebezpiecznych (gro nych) stanów maszyny/ instalacji.

Przykłady:

Przykłady: prasy, schody ruchome, windy, pojazdy szynowe, instalacje chemiczne, 

elektrownie lub samoloty.

Ryzyko

Ryzyko graniczne

Ryzyko graniczne

małe

du e

Bezpiecze stwo

Bezpiecze stwo

Zagro enie

Zagro enie

Bezpiecze stwo - ryzyko

Aspekty bezpiecze stwa

Sterownik PLC, podobnie jak i pozostałe składniki wyposa enia 

elektrycznego maszyny lub instalacji, musi spełnia  okre lone 

wymagania bezpiecze stwa, tzn. przy wyst pieniu bł dów nie mog  

by  poszkodowani ludzie. 
Sposoby spełnienia tych wymaga  s  zawarte m.in. w odpowiednich 

normach.

Zagadnienia zwi zane z bezpiecze stwem dotycz  m.in.: 

Zagadnienia zwi zane z bezpiecze stwem dotycz  m.in.: 
• urz dze  wył czania awaryjnego,
• zabezpiecze  przed niepo danym ponownym zał czeniem,
• zabezpiecze  przed przebiciem na mas , 
• zabezpiecze  przed przerwaniem przewodów,
• granicznych urz dze  bezpiecze stwa, 
• programowych aspektów bezpiecze stwa (obsługa alarmów, przebiegi

uruchamiania, ...).

48

Zabezpieczenie przed przerwaniem przewodu

Wymagania:

Wymagania:

• przerwanie przewodu nie mo e prowadzi  do 

niezamierzonego wł czenia elementu wykonawczego,

• je eli przerwanie przewodu prowadziłoby do tego,  e 

równocze nie byłyby wprowadzane rozkazy 

Start

Start

i 

Stop

Stop

, to rozkaz 

Stop

Stop

’u powinien mie  pierwsze stwo.

Realizacja:

Realizacja:

• zał czenie elementu wykonawczego odbywa si  za 

pomoc  styków 

zwiernych

(przy potwierdzeniu do 

sterownika dostarczany jest sygnał „

1

”: „

zasada 

zasada 

pr dowa

pr dowa”),

• wył czanie elementu wykonawczego odbywa si  

przez styki 

rozwierne

(przy potwierdzeniu do 

sterownika dostarczany jest sygnał „

0

”: „

zasada 

zasada 

bezpr dowa

bezpr dowa”),

• odpowiedni dobór kolejno ci instrukcji w programie. 

I1

I3 I4 I5 I6 I7

I2

Q1

Q3 Q4 Q5 Q6

Q2

PLC

I

I2

S 

Q5

IN

I7

R

Q5

Aspekty bezpiecze stwa dla urz dze  wył czania 

awaryjnego

Wymagania:

Wymagania:

Realizacja:

Realizacja:

• wyst pienie niebezpiecznego stanu powoduje wył czenie 

elementów wykonawczych i nap dów, przez które powstaj  

ewentualne niebezpieczne stany (np. nap d wrzeciona) i 

ustawienie trybu awaryjnego dla tych zespołów, których 

wył czenie spowodowałoby ewentualne stany niebezpieczne 

(np. urz dzenia mocuj ce),

• zabezpieczenie przed samoczynnym ponownym zał czeniem,
• potwierdzenie musi by  przyj te przez sterownik i ocenione 

przez program PLC,

• obwód wył czenia awaryjnego musi by  wykonany niezale nie 

od PLC w technice bezpiecze stwa.

• unikanie programowania okablowania w PLC,
• bezpr dowe wył czanie wielopozycyjnych zaworów z blokad  

w układach pneumatycznych i hydraulicznych,

• bezpr dowe zał czanie hamulców (luzowników) w silnikach 

elektrycznych.

49

1. Normy grupy A (EN

1. Normy grupy A (EN

12100

12100

)

)

:

:

Przeznaczone s  one do okre lenia podstawowych definicji oraz zasad konstrukcji 

zwi zanych z bezpiecze stwem pojedynczych składników stosowanych we 

wszystkich maszynach.

2. Normy grupy B

2. Normy grupy B

:

:

Przeznaczone s  one do okre lania aspektów bezpiecze stwa lub rodzaju urz dze

zwi zanych z bezpiecze stwem dla całego szeregu maszyn, aparatów i urz dze :

a/ normy typu B1 odnosz si do specjalnych aspektów bezpiecze stwa, takich jak: 

bezpieczne odst py, temperatury  powierzchni, hałas,

b/ normy typu B2 odnosz si do urz dze wpływaj cych na bezpiecze stwo, takich 

jak: wł czenie obur cz, blokady, oddzielaj ce elementy ochronne.

3. Normy grupy C

3. Normy grupy C

:

:

Przeznaczone s  one do okre lenia szczegółowych wymaga bezpiecze stwa dla 

okre lonej maszyny lub grupy maszyn.
Uwaga: Nale y pami ta o tym,  e je eli maszyna jest budowana w oparciu o norm

C, to automatycznie spełniona jest dyrektywa maszynowa.
Przy braku normy C dla danej maszyny u ywane s   normy A i B w celu wykazania 

zgodno ci z dyrektywami wyszczególnionych, istotnych cz ci danej maszyny.

Aspekty bezpiecze stwa maszyn - normy

Hierarchia europejskiego systemu norm dla 

bezpiecze stwa maszyn

Normy typu C

Normy typu C

Specyficzne cechy bezpiecze stwa dla poszczególnych rodzajów 

maszyn

Normy typu B

Normy typu B

Normy typu B1

Normy typu B1

Normy typu B2

Normy typu B2

Ogólne aspekty 

bezpiecze stwa

Odniesienie do 

specjalnych urz dze  

bezpiecze stwa

Normy typu A

Normy typu A

Zalecenia dotycz ce 

projektowania, podstawowe 

poj cia bezpiecze stwa

Podstawowe normy 

bezpiecze stwa

Grupowe normy 

bezpiecze stwa

Specjalistyczne 

normy 

bezpiecze stwa

50

Zasady bezpiecze stwa maszyn - zharmonizowane normy UE

Dyrektywa maszynowa

Obróbki cieplne

Guma i tworzywa 

sztuczne

Obuwie 

ochronne

Prasy 

hydrauliczne

Prasy 

mechaniczne

Pakowanie

Przemysł 

skórzany

B2 Blokady

Obsługa 

dwur czna

Maty i płyty 

bezpiecze stwa

Ryzyko

B2

B2 Wyposa enie 

elektryczne

B1 Pr dko ci

B1

Rozruch

B1

Układy sterowania

B2

Not-OFF

Normy

Dyrektywa maszynowa

Dyrektywa maszynowa

EN ISO 

12100

Centra obróbkowe

EN 2417

Małe tokarki NC

EN 12415

Roboty przemysłowe

EN 775

Prasy hydrauliczne

EN 693

Prasy mechaniczne

EN 692

Maszyny do formowania przez rozdmuchiwanie

EN 422

Maszyny do odlewania pod ci nieniem

EN 201

Normy dotycz ce 

bezpiecze stwa 

wyrobów

Normy typu C

Bezstykowe urz dzenia bezpiecze stwa

EN 61496

Elektryczne wyposa enie maszyn

EN 60204

Urz dzenia blokuj ce w układach sterowania

EN 1088

Doprowadzanie energii / - odł czanie

EN 1037

Istotne ze wzgl du na bezpiecze stwo cz ci 

układów sterowania

EN 954-1

Urz dzenia separacji ochronnej

EN 953

Układy obsługi dwur cznej

EN 574

Urz dzenia wył czania awaryjnego NOT-OUT

EN 418

Normy typu B2

Minimalne odległo ci

EN 394

Bezpieczne odst py (odległo ci)

EN 294

Grupowe normy 

bezpiecze stwa

Normy typu B1

Ocena ryzyka

EN 1050

Ogólne wskazówki dotycz ce projektowania

ENISO 12100

Podstawowe normy 

bezpiecze stwa

Normy typu A

Typowe przykłady

Typowe przykłady

Oznaczenie

Oznaczenie

Typ normy

Typ normy

Przykłady norm zwi zanych z bezpiecze stwem 

(wykaz niepełny)