plik

Sterowniki PLC/PAC
Uwagi wstęne
-Sterowniki PLC/PAC są jednymi z najczęściej stosowanych w przemyśle cyfrwych urządzeń sterujących
-Skróty nazw oznaczają Programmable Logic Controller i Programmable Automation Controller
-Pod względem konstrukcyjnym obie wersje nie różnią się między sobą nazwa PAC jest raczej chwytem marketingowym i oznacza PLC o większych możliwościach
obliczeniowych i platformą programową o większej otwartości.
-Sterowniki PLC pierwotnie były dedykowane wyłącznie do realizacji sterowania logicznego , obecnie (zwłaszcza wersje PAC) są w stanie realizować większość zadań sterowania
za wyjątkiem sterowania numerycznego i robotyki.
-Kostrukcja i zasady programowania sterowników PLC są znormalizowane.

Generalne założenia dotyczące systemów PLC:
-Łatwe programowanie i rekonfiguracja(sprzętowa i programowa) w zależności od potrzeb.
-Konstrukcja modułowa i łatwość napraw i utrzymania w ruchu poprzez wymianę modułów
-Wyższa niezawodność mniejsze wymiary i pobór energii niż systemy przekaźnikowe
-Cena porównywalna ze sprzętem przekaźnikowym
Uwagi
-Konfiguracja jest budowana z modułów ściśle pod kątem wymagań określonej aplikacji
-W ramach jednej "rodziny" sterowników jest dostępna duża liczba różnych modułów o różnych możliwościach i cenie
-Lokalizacja modułów na szynie jest ściśle okreslona i  determinuje np. Ich adresy
-W praktyce często stosowana jest konfiguracja rozproszona, gdy moduły sygnałowe są połaczone z CPU za pośrednictwem sieci.

Podstawowe typy modułów sterownika PLC:
-Zasilacze
-jednostki centralne (CPU)
-moduły komunikacyjne np ETHERNET
-moduły sygnałów procesowych:(wejścia binarne, analogowe, wyjścia binarne, analogowe)
-Specjalizowane moduły "inteligentne" z własnymi procesami i układami wejść i wyjśc np.:pozyjonowanie osi ,regulacja temperatury

Dodatkowe elementów PLC:
Panele operatorskie – są to autonomiczne elementy o różnej funkcjonalności od prostej aż do bardzo rozbudowanej. Te bardziej rozbudowane pracują np pod windowsami ce i
mogą być platformą sprzętową dla aplikacji SCADA i stopnia nadrzędnego.

Sieć przemysłowa:
-Do połączenia rozproszonej konfiguracji pojedynczego PLC
-do połączenia sterownika PLC z innymi elementami systemu(np komputer)
-sieć przemysłowa może siędość znacznie różnic od ETHERNETU

Kompaktowy sterownik "hard PLC". Cechy:
-W jednej obudowie jest CPU zasilacz i zespół wejści wyjśc
-rozwiązanie dedykowane do prostszych aplikacji i tańsze niż sterownik modułowy
-większość sterowników kompaktowych ma możliwość rozbudowy o dodatkowe wejścia i wyjścia.

System sterowania "soft PLC"
Idea:Interfejs procesowy oraz metody programowania są te same co dla systemu hard plc.; Jednostka centralna jest zrealizowana wirtualnie pod nadzorem systemu WINDOWS
Zalety:Znacznie większa moc obliczeniowa w stosunku do systemu hard PLC; intergracja na jednej platformie sprzętowo-programowej systemu SCADA i CPU sterownika(i ew.
Środowiska konfiguracyjnego)
Wady:Praca pod nadzorem systemu WINDOWS (zawodność działania)

Cykl programowy PLC i regulatora cyfrowego:

od „odczyt wejść” do „uaktualnienie wejść”: czas odpowiedzi T

od początku do końca: czas cyklu Ts
Czas cyklu ( ang. Cycle Time, Scan Time) Ts   Jest to czas trwania 1 cyklu programowego, od inicjalizacji do diagnostyki.
Czas odpowiedzi ( ang. Response Time) To  Jest to czas od odczytu wejścia do zapisu skojarzonego z tym wejściem wyjścia.
Podczas pracy sterownika wartości T

s oraz To nie są stałe, lecz zmieniają się w pewnym zakresie i można jedynie oszacować ich minimalne i maksymalne wartości:

Dokładność zależy od oszacowań producenta

W przypadku regulatorów PID i innych prostych urządzeń nie mamy wpływu na wartość T

s oraz To, natomiast mamy wpływ na te parametry i mogą one być szacowane oraz

mierzone w przypadku systemów PLC.
Przykład szacowania wartości T

o dla sterownika PLC (SIEMENS):

omin

+Tos+Tu+Tw+T

Do+

omax

=2T

+2Tos+2Tu+2Tw+T

Do+

+2T

TR – czas odczytu wejść,Tos -czas wykonania systemu operacyjnego,Tu – czas wykonania programu użytkownika,TW – czas zapisu wyjść,TDi –czas opóźnienia wejść,TDo –czas
opóźnienia wyjść,

Oszacowanie czasu obsługi wejść i wyjść:
T

=K+A*LB

+B*LB

1%3

+D*LB

LB – liczba bajtów czytanych lub zapisywanych:
0 – na szynie 0,
1-3 – na szynach 1 – 3,
DP- w układach rozproszonych wejść /wyjść
K, A, B, D - stałe, równe w przypadku CPU 315 SIEMENS SIMATIC S7 300: K = 109 [us] , A= 10.6 [us] , B = 12.6 [us] , D = 10 [us] .

Oszacowanie czasu wykonania programu użytkownika:

F = 1.15 ( dla CPU 315 )
Tinstr – czasy wykonania wszystkich instrukcji programu
Czas wykonania pojedynczej instrukcji programu jest zdeterminowany przez: Typ CPU;Typ instrukcji;typ danych na jakich ta insrukcja jest wykonana
Czasy wykonania timerów:
T

=8n; n = ilość timerów użytych w programie

WNIOSKI ( tylko system „Hard-PLC”):
-Operacje wykonywane na danych typu DINT są znacznie szybsze, niż na danych typu REAL,  przy tej samej precyzji.
-W przypadku wysokich wymagań dot czasu cyklu należy pamiętać o wyłączaniu nie używanych wejść i wyjść,
-Sterownik „hard PLC” nie nadaje się do realizacji zadań sterowania numerycznego i robotyki, gdyż te zadania wymagają wykonywania dużej ilości szybkich obliczeń z użyciem
funkcji trygonometrycznych.
-Oszacowania podawane przez producenta sprzętu są zwykle bardzo „ostrożne” i opisują najgorsze możliwe przypadki.

Zasady programowania sterowników PLC
Ogólne zasady programowania opisane w normie:
-Model i elementy oprogramowania
-typy danych
-typy zmiennych
-języki i metody programowania
Zasady nieomówione (zleżne od systemu sprzętu)
-zasady adresacji
-"nieformalne" elementy oprogramowania
-metody implementacji niektórych elementów

Konfiguracja – element na najwyższym poziomie jest to całość oprogramowania sterownika determinująca jego pracę. Obejmuje zarówno OS jak i program użytkownia
Zasób – Element opisujący platformę sprzętową do realizacji programu. Program aby był wykonywalny musi być załadowany do zasobu np symulator PLC jest symulatorem
zasobu.
Program – Jest to logiczne połączenie wszystkich elementów konstrukcji potrzebnych do założonego przetworzenia sygnałów wymaganego do sterowania maszyny lub procesu
przez system PLC
Zadanie – Element nadzorujący wykonanie programu lub pewnej jego logicznej całości
Blok funkcyjny -  element dynamiczny o wielu wejściach i wyjściach
-bloki funkcyjne są podstawowym narzędziem programowania obiektowego systemów PLC
-wyjścia bloku są zdeterminowane zarówno przez wejścia jak i przez historię działania bloku (część zmiennych jest zapamiętywana z poprzednich wywołań)
-"na zewnątrz" bloku są dostępne wyłącznie zmienne wejśiowe i wyjśiowe a nie są dostępne zmienne wewnętrzne

Standardowe bloki funkcyjne są częścią firmware’u sterownika i są dostępne w każdym systemie PLC:-elementy bistabilne,-elementy detekcji zbocza,-liczniki,-timery.
Niektóre (nie wszystkie systemy PLC umożliwiają budowę własnych FB podczas budowy oprogramowania.
Funkcja Element statyczny o wielu wejściach i zwracający jedną wartość określonego typu.
-Funkcyjne są również podstawowym narzędziem programowania obiektowego systemów PLC
-Wartość wyjścia funkcji jest zdeterminowana wyłącznie przez wartość jej wejść (funkcja nie posiada „pamięci”).
-„na zewnątrz” funkcji są dostępne wyłącznie zmienne wejściowe i jej wyjście, a nie są dostępne zmienne wewnętrzne

W każdym systemie PLC dostępny jest dość duży zestaw funkcji standardowych
-funkcje konwersji typu,
-funkcje arytmetyczne i matematyczne,
-funkcje porównania,
-funkcje wyboru,
-funkcje operujące na danych typu STRING,
-funkcje operujące na danych typu czasowego,
Niektóre (nie wszystkie) systemy PLC umożliwiają budowę własnych funkcji podczas budowy oprogramowania.
Zmienna globalna -Zmienna dostępna dla wszystkich elementów programu, zasobu lub konfiguracji.
-Zmienne globalne umożliwiają szybką wymianę danych w obrębie programu,
-Zaburzona jest sekwencyjność wykonania programu,
-„Dobre narzędzie do budowy zupełnie niezrozumiałych programów”,
-Szczegóły definiowania i stosowania zależne są od konkretnego systemu.
Zmienna bezpośrednio reprezentowana -Zmienna, której nazwą jest adres(wejścia, wyjścia lub komórki pamięci wewnętrznej).
Zasady adresacji są zależne od systemu i pomimo ogólnych podobieństw różnią się pomiędzy sobą.
Przykładowo: adresy wejścia binarnego w 3 systemach:
SIEMENS: 10.0, GEFANUC: %l1, ALLEN_BRADLEY: l1:0.0/0
Ścieżka dostępu –Element oprogramowania zapaeniający wymianę danych z innymi konfiguracjami lub konfiguracją a innym elementem(np. systemem SCADA)

„Nieformalne” elementy organizacyjne oprogramowania PLC – W
każdym rzeczywistym systemie PLC są również do dyspozycji różne
nietypowe (charakterystyczne tylko dla tego systemu) elementy
oprogramowania,
- Zasady ich konfiguracji i wykorzystania są różne i zależą od
konkretnej platformy
-Przykłady zostaną omówione dla systemów ALLEN – BRADLEY i
SIEMENS
ALLEN-BRADLEY: ogólna struktura oprogramowania:

SIEMENS SIMATIC S7 300 W tym systemie jest możliwość
samodzielnego definiowania FC i FB ponadto są stosowane
następujące elementy „nieformalne”:
-Bloki organizacyjne (OB.)
-Bloki danych (DB),
Typy danych definiowane przez użytkownika (User – Defined Data
Types:UDT
Blok organizacyjny (OB) to rodzaj „pomost” pomiędzy programem
użytkownika i systemem operacyjnym.
-OB. To jedyny element oprogramowania uaktywniany bezpośrednio z
poziomu OS.
- Każdy element programu aby mógł być wykonany musi być
wywołany z jakiegoś OB. Element nie wywołany w żadnym OB nie
będzie wykonany.
- Jest możliwy zapis programu lub jego części bezpośrednio w OB
-Różne części programu mogą być wywoływane przez różne bloki
organizacyjne.
-Są dostępne różne typy bloków, uaktywniane w różny sposób.
-Każdy OB Ma nazwę zastrzeżoną: OB<numer> ale można tym
nazwom przypisać także nazwy symboliczne.
Bloki danych (DB) – Blok danych nie zawiera żadnych
wykonywalnych instrukcji, służy on wyłącznie do przechowywania
danych.
-DB może być interpretowany  jako struktura i dostęp do jego
elementów jest taki, jak do elementów struktury.
-Nazwa jest zastrzeżona: DB<numer>, ale nazwy symboliczne są
dozwolone i ich użycie jest zalecane.
- Przydział pamięci dla DB jest wykonywany automatycznie przez
kompilator,
-Niektóre typy danych mogą być przechowywane wyłącznie w DB
(np. STRING)
-Dostęp do DB spoza konfiguracji jest możliwy przy stosowaniu
firmowego oprogramowania SCADA SIEMENS(WinCC,
ProTool/Pro),
-Pewne bloki danych mogą być zapamiętywane po wyłączeniu
zasilania PLC (należy to zdefiniować podczas konfiguracji sprzętu)
Typ danych definiowany przez użytkownika (UDT ). UDT-szablon
bloku danych. [UDT]->DB1 i ->DB2  i ... i ->DBn
Ideą UDTjest budowa „szablonu” bloku danych, który może być
sklonowany w dużej liczbie bloków.
-Wszystkie bloki stowarzyszone z tym samym UDT mają tę samą
strukturę, ale są w pełni niezależne od siebie.
-Konstrukcja przydatna podczas budowy dużych aplikacji oraz
automatycznego generowania kodów źródłowych.

Typy danych stosowane w systemach PLC
- Norma 61131 dopuszcza do stosowania w systemach PLC wiele
różnych typów danych.
-Dostępność znormalizowanych typów danych na rożnych platformach
jest różna.

[1Typy danych]
[2Elementarne – liczbowe: całkowite, rzeczywiste, binarne; ciąg
znaków; czasowe: czas trwania, godzina dnia, data i godzina]
[2Rodzaje danych]
[2Pochodne – złożone: tablica, struktura;  proste: okrojone,
wyliczeniowe]
Typy zmiennych stosowane w systemach PLC
Typ zmiennej- Słowo kluczowe do deklaracji- Opis
Wewnętrzna- VAR- Zmienna lokalna, widoczna wyłącznie wewnątrz
danej POU
Wejściowa- VAR_INPUT- Zmienna służąca do podawania wartości
wejściowych nie może być modyfikowana
Wejściowa modyfikowana- VAR_IN_OUT- Zmiennawejściowa która
może być modyfikowana wewnątrz danej POU
Wyjściowa- VAR_OUTPUT- Zmienna służąca do podawania na
zewnątrz wyników działania POU
Tymczasowa- VAR_TEMP- Zmienna której wartość jest kasowana po
zakończeniu wykonywania danej POU
Zewnętrzna- VAR_EXTERNAL- Zmienna lokalna która może być
widoczna na zewnątrz POU(deklaracja używana wewnątrz POU)
Globalna - VAR_GLOBAL- Zmienna globalna
Bezpośrednia reprezentowana- Nie deklaruje się- Zmienna której
nazwa to adres dostępnej przestrzeni adresowej sterownika
[1Języki programowania PLC]-[Graf sekwencji]
[2Graficzne – język drabinkowy LD; język schematów blokowych
FBD]
[2Tekstowe – lista instrukcji IL; tekst strukturalny ST]

Język listy instrukcji IL
Jest to język tekstowy typu asembler. W wielu przypadkach jest on
bezpośrednio interpretowany przez CPU (nie jest kompilowany). Ma
on największe możliwości ze wszystkich omawianych języków.
Program w IL to sekwencja instrukcji, z których każda się zaczyna w
nowej linii.
Wszystkie operacje są wykonywane na zawartości roboczej komórki
pamięci CPU, nazywanej akumulatorem.
Sposób realizacji akumulatora jest zależny od sprzętu: GE FANUC:  1
akumulator liczbowy 32bitowy i 1 binarny (oba definiowane przez
użytkownika) SIEMENS: 2 lub  4 akumulatory 32 bitowe i bit RLO
jako akumulator binarny.

Składnia pojedynczej liniii:
(etykieta)—operator—(modyfikator) – operand //komentarz
Interpretacja wykonania instrukcji:
ACC

:=ACC

{operator}OPERAND gdzie: n-nowa zawartość

akumulatora p-poprzednia zawartość akumulatora.

-Norma IEC 1131 definiuje podstawowy zestaw operatorów Listy
instrukcji. Operatory te obejmują wszystkie podstawowe operacje
logiczne i arytmetyczne.
-IL zapewnia także możliwość wywoływania wszystkich funkcji oraz
instancji bloków funkcyjnych dostępnych na danym
sterowniku(standardowych i definiowanych przez użytkownika)

-Należy zawsze zwracać uwagę na zgodność zawartości akumulatora i
operandu. W szczególności powinny one być tego samego typu.
-Nazwy instrukcji i składnia języka dla poszczególnych systemów PLC
mogą się różnić, ale „filozofia” programowania jest ta sama

Podsumowanie:
1.Język IL jest przeznaczony do realizacji niewielkich, krytycznych
pod względem funkcjonalności, jakości i szybkości działania
fragmentów programów(np.FC lub FB), które mogą być wywoływane
w programach napisanych w innych językach
2.Wadą znormalizowanego IL jest brak diagnostyki błędow. W
niektórych systemach(SIEMENS) jest diagnostyka niektórych błędów.
3.Interpretacja programu nie jest zdefiniowana w normie, w
szczególności nie wiadomo, w jaki sposób są wykonywane operacje na
złożonych typach danych.
Język Schematów funkcyjnych FBD – Język graficzny, budowa
programu jest podobna do budowy np. diagramu w SIMULINK-u.
Język zbliżony do języka drabinkowego
Tekst Strukturalny ST – Język tekstowy wysokiego poziomu zbliżony
do PASCALA. Dostępne są pętle i instrukcje wyboru oraz wyrażenia
(nawet bardzo złożone). Plik źródłowy musi być kompilowany.
Graf Sekwencji – Jest to graficzne narzędzie programowe, bazujące na
metodologii sieci Petriego typu P/T, umożliwiające realizację
algorytmów sterowania sekwencyjnego(tj. takich, w których da się
wyróżnić poszczególne etapy i wykonywane w nich działania oraz
zdefiniować warunki przejścia od jednego etapu do następnego).
Podstawowe elementy grafu:
1.Etapy , 2.Przejścia, 3.Działania
Etap określa, w którym miejscu realizacji program się aktualnie
znajduje. Powinien mieć unikalną nazwę skojarzeniową. Każdy etap
może tylko jeden raz występować w jednym grafie. Graficzna
reprezentacja etapu jest następująca:
[nazwa] – etap początkowy
    |

    |
[nazwa] – etap
    |
Przejście – określa warunki logiczne, jakie muszą być spełnione aby
nastąpiło przejście od etapu poprzedniego do następnego. Warunki te
mogą być zapisane w każdym z wcześniej omówionych języków:
Działanie opisuje, co ma być wykonane w etapie, z którym jest ono
skojarzone. Reprezentacja graficzna działania jest następująca:
kwalifikator|nazwa działania|zmienna zwrotna
instrukcje
Kwalifikator działania
Określa korelację czasową pomiędzy czasem aktywności etapu i
czasem aktywności działania. W najprostszym przypadku działanie jest
wykonywane przez cały czas aktywności etapu(Inne kalifaktory – zob
Legierski, Lewis)
Podstawowe typy sekwencji:pojedyncza,wyboru,współbieżne
Aby zakończenie było możliwe, to wszystkie etapy współbieżne muszą
być aktywne!
Podstawowe reguły budowy i wykonania SFC:
Każde 2 etapy muszą być rozdzielone przejściem i każde 2 przejścia
musza być rozdzielone etapem,
Aby nastąpiło przejście do następnego etapu to:
-Poprzedni etap musi być aktywny,
- Musi być spełniony warunek logiczny na przejście.

Sieci komputerowe są obecnie stosowane powszechnie w przemyśle na wszystkich poziomach sterowania, zarówno na niższych (sterowanie bezpośrednie) jak i na wyższych
(sterowanie decyzyjne). Na różnych poziomach hierarchicznego systemu sterowania są stosowane różne typy sieci: -na
poziomach niższych – sieć przemysłowa -na poziomach wyższych- sieć biurowa

Wymaganie

Sieć biurowa

przemysłowa

Ilość

danych

Duża [Mb]

Mała

[bity,bajty]

Determiniz
m czasowy

Nie wymagany

wymagany

Szybkość

dzialania

mała

duża

Natężenie

przepływu

danych w

sieci

Duże

wiadomości o

zmiennym i

nieprzewidywal

nym natężeniu

Duża liczba

krótkich

wiadomości o
prawie stałym

i dającym się

oszacować

natężeniu.

Dodatkowe wymagania wobec sieci przemysłowej: - łatwość dołączania prostych urządzeń                        - możliwość zasilania elementów sieci przez magistralę
- łatwość lokalizacji uszkodzeń                                                                 -  odporność na błędy w montażu i konfiguracji             -  odporność na zakłócenia
Przykłady sieci przemysłowych: HART, Profibus, Modbus, DeviceNet, LonWorks, Ethernet(wersja przemysłowa).

Model sieci wg OSI. (7warstwowy)

7 aplikacji
6 prezentacji
5 sesji
4transportowa
3sieciowa
2łącza danych
1fizyczna

Funkcje wartwy fizycznej OSI:
- specyfikacje medium fizycznego                                           - definiowanie sygnałów elektrycznych, optycznych                              -  taktowanie interfejsu
- specyfikacje interfejsu NIC -Network interface card - sprawdzanie błędów transmisji                                    - kodowanie binarne                                               Funkcje warstwy
łącza danych: -mostkowanie i przełączanie ramek                                                           – ramkowanie danych                                                     – tworzenie architektury sieci
fizycznej                                – synchronizacja transmisji                                                   – kontrola błędów (suma kontrolna)                                     – sterowanie i kontrola
przepływu danych                          – adresowanie portów (adres MAC)                      Warstwa liniowa- 2 podwartwy : wyższa LCC, niższa MAC.
Funkcje warstwy aplikacji OSI:                                        -jest najbliżej użytkownika                                                      - steruje integralnością danych i odtwarzaniem błędnych
informacji                                                                 -aplikacje np. sterownik „soft PLC”

Topologie sieci przemysłowych:
Nazwa

Zalety

Wady

magistra
lowa

Prosta budowa,
mała ilość
przewodów,
awaria jednego
węzła nie
powoduje
awarii sieci,
łatwość
rozbudowy

Trudna
diagnostyka
błędów, awaria
terminatora lub
kabla
uniemożliwia
działanie,
możliwe
opóźnienia

pierście
niowa

Proste
okablowanie,
łatwa
diagnostyka
błędów

Awaria jednego
węzła lub kabla
uniemożliwia
działanie,
złożona
konstrukcja
węzłów

gwiaździ
sta

Awaria jednego
węzła nie
powoduje
awarii sieci,
łatwość
rozbudowy,
łatwa
diagnostyka
błędów i awarii

Wymagany
HUB, awaria
HUBa- awaria
sieci, duża ilość
kabli

Siatkow
a
(mieszan
a)

Wysoka
niezawodność
(każdy węzeł
można osiągnąć

Duża ilość
kabli, złożona
komunikacja
(wiadomości

7 aplikacji
6 prezentacji
5 sesji
4transportowa
3sieciowa
2łącza danych
1fizyczna

System otwarty A System
otwarty B

System otwarty B

różnymi
drogami awaria
węzła nie
powoduje
awarii całości

przechodzą
przez węzły
pośrednie)

Protokoły dostępu do medium:                                              -CSMA/CD – nie używana w sieciach przemysłowych( nie zapewnia determinizmu czasowego)
- protokoły znacznikowe – z przekazywaniem znacznika (token passing), pierścień znacznikowy (token ring) : pomiędzy węzłami sieci przekazywany jest znacznik – token,
prawo do nadawania w danej chwili ma tylko ten węzeł z tok enem, maksymalny czas posiadania tokena i kolejność jego przekazywania są zdefiniowane,  ZALETY: determinizm
czasowy, brak ograniczeń na minimalną długość wiadomości, niezależność szybkości działania od obciążenia
WADY: skomplikowana obsługa błędów związanych ze zgubieniem bądź powieleniem znacznika, konieczność ciągłego przekazywania znacznika pomiędzy węzłami.
  –odpytywanie – polling (sieci typu master/slave) komunikacja odbywa się wyłącznie pomiędzy master a slave na zasadzie transakcji – pytanie-odpowiedz. Slave – nie
inicjalizuje komunikacji, może odpowiedzieć na zapytanie, Master – ma uprawienie do wysyłania danych i zapytań do stacji slave, może inicjalizować komunikację. ZALETY:
prostota, slave nie musi być komputerem WADY: całkowity rozpad sieci w wyniku awarii mastera.

Na poziomie warstwy łącza logicznego (wyższej) stosowane są protokoły:
-bezpołączeniowe (datagram)  - wiadomość jest odpowiednio formatowana i wysyłana, brak sprawdzenia czy wiadomość dotarła do odbiorcy, nie odebranie wiadomości przez
odbiorcę lub błąd w transmisji prowadzą do utraty wiadomości
-połączeniowe (connection – oriented)- etap I- nawiązanie połączenia, etap II – wymiana danych w obie strony(dowolne dane i komunikaty), etap III- zamknięcie połączenia.
Poprawność odbioru jest kontrolowana i są wysyłane potwierdzenia odbioru. W razie błędu przesyłane jest żądanie powtórzenia transmisji, długotrwały brak potwierdzenia lub
żądania retransmisji powoduje powtórne wysłanie ostatniego komunikatu, brak odpowiedzi po kilku próbach oznacza awarię odbiorcy. ZALETY: pewność i niezawodność
transmisji, łatwość wykrycia awarii WADY: mniejsza szybkość, konieczność przesyłania potwierdzeń, duża złożoność obsługi.

Sieć przemysłowa PROFIBUS:
Jeden z najbardziej rozpowszechnionych standardów sieci przemysłowych, 3 wersje standardu: FMS – najbardziej rozbudowany i uniwersalny, pozwala na realizację złożonych
zdań komunikacji i na łączenie z prostymi urządzeniami. DP – najszybsza wersja przeznaczona do łączenia rozproszonych konfiguracji sterowników PLC. PA – wersja
iskrobezpieczna i pozwalająca na zasilanie urządzeń z magistrali, dedykowana do współpracy z przetwornikami inteligentnymi.
3 warstwy modelu OSI dla PROFIBUSa:
warstwa 1- fizyczna (medium fizyczne – skrętka lub światłowód, maksymalnie 32 urządzenia w segmencie max 128 w całej sieci- ograniczeniem długość pola adresowego,
topologia pojedynczego segmentu magistralowa, max. długość doprowadzeń węzłów 0.3m, prędkość transmisji- 9.6, 19.2, 93.75,187.5, 1500, 12000 kbit/s, węzły sieci dołączane
9cio stykowym złączem ISO, topografia styków w złączu: 1-SHIELD ,2-RP,3-RxD/TxD-P(dane sygnał „+”),4-CNTR-P,5-DGND,6-VP,7-RP,8-RxD/TxD-N(dane sygnał „-
”),9-CNTR-N) bity kodowane napięciem różnicowym między stykami 3 a 8 – stałe napięcie dodatnie „1”, stałe napięcie ujemne „0”, nadajnik powinien być zabezpieczony przed
kolizjami , nie pracujące nadajniki w stanie wysokiej impedancji. Stan spoczynkowy linii to „1” i musi on być zapewniony przez terminatory, najprostszy terminator to rezystor
150 Ohm załączony pomiędzy stykami 3 i 8.
warstwa 2-liniowa- protokół dostępu do kabla jest złożeniem protokołu znacznikowego oraz metody odpytywania. W sieci mogą występować wezły czynne MASTER jak i bierne
SLAVE ( w sieci DP-1 węzeł MASTER + 1rodzaju + 1 MASTER 2 rodzaju – programator). Transakcja odbywa się z wykorzystaniem usług realizowanych przez węzły
nadrzędne. 4 rodzaje usług: a). wysyłanie danych z potwierdzeniem, b) wysyłanie danych bez potwierdzenia c) wysyłanie danych i odebranie odpowiedzi d) cykliczne wysyłanie
danych i odebranie odpowiedzi.
warstwa 7 aplikacji. VFD- wirtualne urządzenie sieciowe, OD –słownik obiektów- zawiera listę wszystkich obiektów, które mają się komunikować z innymi. Inne węzły mają
dostęp tylko do danych zdefiniowanych w tej liście. Wymiana danych odbywa się wg. Schematu klient-serwer. Dla każdej pary portów w obu węzłach jest tworzona osobna
relacja komunikacyjna dostępna dla programów wykonywanych w tym węźle. Obiekt jest podstawowym elementem na którym wykonywane są usługi. Obiektami są: zmienne,
typy danych , zdarzenia opisujące wyjątki lub szczególnie stany powstałe w programie. Domena – obszar pamięci do którego można załadować program, dane czy parametry.
Program który można zatrzymać, uruchomić itp. Obiekt fizyczny opisany przez jego adres i długość ale o nieznanej strukturze wewnętrznej. Usługi udostępniają programom w
innych węzłach obiekty zdefiniowane w dowolnym węźle. Usługa zdefiniowana przez 4 operacje: REQUEST- wywołanie usługi, INDICATION-sygnalizacja odebrania
wywołania, RESPONSE- przekazanie potwierdzenia, CONFIRM- sygnalizacja odebrania potwierdzenia.
Schemat wywołania usługi:
KLIENT    SERWER

Rodzaj usługi

Request->indication
Confirm<-response

Usługa potwierdzana

Indication<-request

Usługa nie
potwierdzana

SCADA

– Zdalny system monitorowania i nadzoru procesów

technologicznych.



ma z założenia zastępować tablice synoptyczne
stosowane w sterownikach.



współpracuje zawsze z urządzeniami mającymi
możliwości komunikacji cyfrowej (regulatory cyfrowe,
przetworniki inteligentne).



pracuje zawsze w czasie rzeczywistym.

Typowe funkcje systemu SCADA:



uruchamianie i zatrzymywanie całej instalacji lub jej
części.



nadzór przebiegu procesu



wykrywanie i sygnalizacja stanów awaryjnych



archiwizacja danych procesowych



zadawanie parametrów regulatorów pracujących na
stopniu bezpośrednim



sterowanie zdalne (automatyczne lub ręczne)

Dodatkowe funkcje:



samostrojenie i autoadaptacja algorytmów regulacyjnych



optymalizacja sterowania na poziomie

bezpośrednim

W typowej sytuacji

różne grupy użytkowników mają dostęp

do różnych funkcji systemu. Każda powinna mieć dostęp do
swojej części i nie powinna mieć dostępu do innych

Architektura systemu SCADA

Każdy system SCADA jest budowany ściśle pod kątem
wymagań określonego systemu, który ma nadzorować.
Składniki systemu:



sterownik PLC, system akwizycji danych lub urządzenie
inteligentne



system komunikacyjny ( port komunikacyjny, sieć,
łączność bezprzewodowa)



komputer, który pełni funkcje: (stacja robocza, serwer
komunikacyjny, serwer danych)

Rozbudowany SCADA zawiera 5 poziomów

urządzenia polowe: przetworniki inteligentne, sterowniki
PLC

2. Stacje akwizycji danych z urz. polowych (RTU)
3.

system komunikacyjny zrealizowany z użyciem sieci
przemysłowej lub urządzeń bezprzewod.

4. Stacje operatorskie z zaimplementowanymi aplikacjami

użytkownika

System komputerowy na poziomie zarządu

Wymiana danych w systemie SCADA

Najczęściej wymiana danych odbywa się wg schematu
klient-

serwer gdzie klientem jest aplikacja użytkownika, a

serwerem jest:

- sterowni

k PLC połączony z aplikacją za pośrednictwem

drivera komunikacyjnego (prostsze przypadki). Komunikacja
jest wykonywana na końcu cyklu programowego.

- serwer danych aplikacji

Elementem niezbędnym do komunikacji jest zawsze driver
komunikacyjny, który jest dedykowany do określonego
sprzętu.

Komponenty systemu SCADA

Sprzętowe: - sprzęt sieciowy, - serwery danych, - serwery
aplikacji, -

stacje robocze: (panel operatorski o różnych

możliwościach i złożoności, lub komputer klasy PC)

2. Programowe: - oprogramowanie komunikacyjne

środowisko uruchomieniowe

- system operacyjny

Podstawowe elementy

z których budowana jest

aplikacja SCADA:

-zmienne (Tags), - obiekty graficzne,

- archiwa, -skrypty i funkcje, -receptury

Znaczna część aplikacji użytkownika ma charakter
graficzny i pogrupowana jest na „ekrany”

Zmienne („Tagi”)



Wewnętrzne, lokalne: są to zmienne wewnętrzne
aplikacji, które nie mają możliwości połączenia ze
zmiennymi sterownika. Ich ilość jest limitowana.



Wejścia/wyjścia globalne: są to zmienne, które mają
przypisane adresy w przestrzeni adresowej
urządzenia, z którym się komunikują i ich wartości
mogą być zmieniane zarówno z poziomu urządzenia,
jak i z poziomu aplikacji.

Możliwe są następujące typy: -binarne (dyskretne), -
całkowite, - czasowe, -tekstowe

- rzeczywiste, - timery, - liczniki.

Zmienne mogą mieć też przypisane dodatkow atrybuty
ułatwiające budowę aplikacji (definiowane podczas
konfiguracji zmiennych), np.:

wartości początkowe,

zakresy dopuszczalnych wartości

alarmy różnych typów

- przypisanie zmiennej do archiwum

częstotliwość odczytu/zapisu (tylko global.)

Obiekty graficzne

okienka wejściowe

okienka wyjściowe

-elementarne figury geometryczne

przyciski, przełączniki, suwaki, lampki

wskaźniki analogowe, pola tekstowe

Mogą być powiązane z określonymi zmiennymi
(pokazuje wartość, zmienia wart.)

Mogą być powiazane z funkcjami, skryptami.

Skrypty i funkcje

Elementy oprogramowania wykonujące różne operacje
na zmiennych: oper. obliczeniowe, zapis i odczyt do
archiwum itp.

Minimalizacja bezpośrednich wskaźników jakości regulacji – zadanie optymalizacyjne
najczęściej realizowane na poziomie sterowania bezpośredniego;
Bezpośrednie wskaźniki jakości – wskaźniki, których wartość jest wyznaczana
bezpośrednio na podst. przebiegu czasowego uchybu regulacji w układzie; w wielu
wypadkach mają bezpośredni związek z wymaganiami konkretnego procesu
technologicznego.
1. czas regulacji T – czas po jakim uchyb regulacji jest w sposób trwały mniejszy od
założonej wartości Δ (najczęściej Δ=5%)
2. odchylenie maksymalne e

3. przeregulowanie χ (

)

Modele matematyczne obiektów regulacji na poziomie sterowania bezpośredniego:
Niezależnie od systemu sterowania konstrukcja regulatora optymalnego jest dokonywana w
oparciu o model matematyczny sterowanego procesu (proces = wszystko, co jest poniżej
elementu decyzyjnego).
Model matematyczny – narzędzie pozwalające przewidzieć i ocenić zachowanie się
systemu pod wpływem różnych oddziaływań sterujących; jest też podstawą przy budowie
narzędzi informatycznych służących do badań symulacyjnych. W przypadku jego braku
należałoby wykonywać eksperymenty na rzeczywistym systemie (b. niekorzystne). Model
jest zawsze pewnym uproszczeniem rzeczywistości; klasyfikacja modeli jest dość złożona;
przed budową modelu można próbować dokonać dekompozycji lub agregacji systemu.
Dekompozycja – podział złożonego systemu na mniejsze, niezależne części, mogące być
analizowane, modelowane oddzielnie; b. ułatwia analizę systemu (analiza części jest
prostsza niż całości).
Agregacja – podczas budowy modelu uwzględnia się tylko te cechy procesu które są
istotne z punktu widzenia sterowania; b. ułatwia budowę modelu (pominięcie nieistotnych,
a komplikujących budowę modelu szczegółów).
Cele modelowania. Jakiemu celowi model ma służyć? (inny model do symulacji
zachowania sie procesu, inny do budowy algorytmu sterowania procesem) – odp. na to
pytanie determinuje wybór kategorii i struktury modelu.
Kategoria i struktura modelu – określana na podstawie teorii opisującej procesy zachodzące
w obiekcie i wyników doświadczalnych; ściśle związana z algorytmem sterowania, który
chcemy zbudować w oparciu o model.
Identyfikacja – jej celem wyznaczenie liczbowych wartości parametrów modelu,
zaproponowanego w poprzednim etapie od strony jakościowej. 2 metody identyfikacji:
-bierna – gdy nie możemy wykonać eksperymentu na obiekcie; mierzymy sygnały
wejściowe i wyjściowe obiektu podczas normalnej pracy systemu, następnie
identyfikujemy parametry modelu metodami statystycznymi na podst. korelacji wejścia i
wyjścia; skomplikowana i mało dokładna
-czynna – stosujemy ją zawsze gdy można; przeprowadzamy zaplanowany eksperyment na
obiekcie i na jego podstawie wyznaczamy parametry modelu;
Równanie stanu systemu dynamicznego ciągłego w dziedzinie czasu

f(..)-funkcja nieliniowa, niestacjonarna, opisująca związek między stanem w chwili
następnej a sterowaniem i stanem w chwili poprzedniej; g(..) – funkcja nieliniowa,
niestacjonarna, opisująca związek między sterowaniem, stanem i wyjściem.
Równanie stanu dla sytemu liniowego stacjonarnego o parametrach skupionych:

A-macierz stanu systemu, B –sterowań, C – wyjść, D – bezpośrednich sterowań
Transmitancja operatorowa
U(s)->obiekt->Y(s)
U(s)-transformata Laplace’a wejścia (sterowania); Y(s) – tr. L. wyjścia
zał. warunki początkowe na wszystkie zmienne stanu są zerowe.
Transmitancja operatorowa G(s) obiektu regulacji – stosunek transformaty Laplace’a
wyjścia obiektu Y(s) do tr. L. sterowania U(s) przy zerowych warunkach początkowych:

Opisuje ona tylko sterowalną i obserwowalną częśc systemu. Wzór na transmitancję, dla
rzeczywistego systemu dynamicznego może być wyprowadzony z równania stanu ( o
parametrach skupionych).
Transmitancja zastępcza - jej parametry mogą być wyznaczone w prosty sposób (na podst.
odpowiedzi skokowej obiektu, bez konieczności znajomości modelu dokładnego).
Model Kupfmullera I rzędu: G(s)=(k*exp(-τs))/(Ts+1). Transmitancja ta jest nazywana
transmitancją zastępczą obiektu regulacji; jej parametry(nazywane parametrami
zastępczymi obiektu): -stała czasowa T, -czas opóźnienia (martwy) τ .
Model Kupfmullera II rzędu: G(s)=(k*exp(-τ_2*s))/[(T_1*s+1) (T_2*s+1)]. Parametry
zast.: stałe czasowe T1 i T2, -czas martwy τ2 .
Model Strejca bez opóźnienia: G(s)=k/ (T_n*s+1)^n. Parametry zast.: rząd transmitancji n,
stała czasowa Tn.
Model Strejca z opóźnieniem: G(s)= [k*exp(-τ_n*s)]/[(T_n*s+1)^n]. Parametry zast: rząd
transmitancji n, stała czasowa Tn, czas martwy τ_n
Ogólna idea identyfikacji parametrów transmitancji zastępczej na przykładzie transmitancji
zgodnie z modelem Kupfmullera I rzędu (na wykresie zależność y(t)):

Parametry transmitancji zast. dobieramy tak, by odpowiedzi skokowe: modelu i obiektu jak
najmniej się między sobą różniły. Dobór parametrów można wykonać metodami:
graficzną, najmniejszych kwadratów. Z wykorzystaniem modelu zast. można zbudować
regulator suboptymalny (lub optymalny).
Synteza suboptymalnego regulatora PID:
Rozważmy układ zamknięty regulacji:

R(s) - transf. Laplace’a wartości zadanej; E(s) –tr. L uchybu regulacji; U(s)-tr.L.

sterowania; Y(s)- tr. L. wielkości regulowanej; G(s) – transmitancja obiektu regulacji;
G_r(s)-transmitancja regulatora.
Załóżmy, że obiekt regulacji jest opisany transmitancją zastępczą zgodnie z modelem
Kupfmullera I rzędu, której parametry wyznaczono na podst. identyfikacji.
Regulatorem jest idealny regulator PID (proporcjonalno-calkująco-różniczkujący) o
transmitancji: G_r(s)=k_r+(k_r/T_i)(1/s)+k_r*T_d*s. PID jest najcześciej stosowany w
przemyśle (80% wszystkich aplikacji).
Parametry regulatora PID: k_r – wzmocnienie proporcjonalne regulatora, T_i - czas
całkowania ( zdwojenia, izodromu), T_D – czas różniczkowania(wyprzedzenia).
Synteza regulatora optymalnego polega na doborze takich parametrów, które zapewnią
minimalną wartość przyjętej funkcji kosztu.
Dobór parametrów zawsze dokonywany z użyciem modelu. Może być dokonany
metodami: -analitycznymi, -numerycznymi, -z wykorzystaniem gotowych wzorów.
Zakładamy, że regulator ma zapewnić suboptymalne sterowanie w sensie następujących
funkcji kosztu: 1. I_1=T_r , χ≈0% 2. I_2=T_r, χ≤20% 3. I_3=

Realizacja algorytmów sterowania optymalnego z wykorzystaniem techniki cyfrowej.
T.cyfr. pozwala na łatwą realizację każdego algorytmu sterowania (warunek:
realizowalność fizyczna). Sterowniki i regulatory są zróżnicowane pod wzgl. możliwości i
ceny, ale ich zasadnicze elementy działania są wspólne dla wszystkich rozwiązań. Każdy
regulator cyfrowy jest systemem czasu rzeczywistego. Znaczny wpływ na wartość funkcji
kosztu w ukł. sterowania cyfrowego jest okres próbkowania.
Cyfrowa realizacja regulatora PID. Dyskretne algorytmy PID otrzymujemy po
dyskretyzacji algorytmu ciągłego o postaci:

)

(

)

(

)

(

)

(









Założenia do dyskretyzacji:
-okres próbkowania jest stały i równy T

_p;

-Dyskretne chwile czasu są oznaczane przez 1, 2, …, n-1, n, n+1, ….
-Wartości sterowania i uchybu w dyskretnych chwilach czasu oznaczamy przez u

oraz

-Pochodną zastępujemy ilorazem różnicowym,
-Całkę zastępujemy w najprostszym wypadku sumą.
Algorytm pozycyjny PID:













Zalety: Możliwość realizacji każdej wersji algorytmu ( P, PD, PI, PID )
Wady: Konieczność zabezpieczania przed przepełnieniem części całkującej;Duża
złożoność obliczeniowa ( wyznaczanie wartości całki w każdym kroku );Brak
zabezpieczenia przed dużymi skokami wartości sterującej
Algorytm przyrostowy PID: Jest otrzymany po zróżnicowaniu algorytmu pozycyjnego. W
każdym kroku jest liczony przyrost sterowania w stosunku do poprzedniego kroku.
Oznaczenia:

































W każdym kroku liczony jest przyrost sygnału sterującego w stosunku do sygnału w kroku
poprzednim:













Zasady poprawnego doboru okresu próbkowania
1.Okres próbkowania T_p jest jednym z najważniejszych parametrów pracy każdego
układu cyfrowego.
2.Poprawny dobór okresu próbkowania ma kluczowe znaczenie dla poprawnego działania
układu regulacji cyfrowej: zapewnia optymalną jakość regulacji i częściową filtrację
zakłóceń.
3. Okres T_p można dobrać na podst.: ch-ki częstotliwościowej układu zamkniętego
(regulator+obiekt); parametrów odpowiedzi skokowej obiektu regulacji.

Ch-ka częstotl (ta po lewej).: ω

– pulsacja rezonansowa, ω

– szerokość pasma

przepustowości,

Odpowiedź skokowa: T – zastępcza stała czasowa, τ - zastępczy czas martwy, T

– czas,

po jakim odpowiedź obiektu osiąga 95% odpowiedzi ustalonej.

Zasady doboru okresu próbkowania

Tw Shannona

Częstotliwość
własna

95% stanu
ustalonego,

Stała czasowa

Czas
różniczkowania
regulatora



)

(





)

(





)

(





)

(











Klasyfikacja sprzętu do realizacji sterowania cyfrowego:
Urządzenie sterowania cyfrowego:
1) Urządzenie specjalizowane:
- regulator wielofunkcyjny
- sterownik PLC
- regulator PID
- przetwornik inteligentny z algorytmem PID
2) Komputer klasy PC (biurowy lub przemysłowy)
- z kartą przemysłową
- z układem akwizycji danych
- z kartą sieciową (PROFIBUS, ETHERNET) i rozproszonym układem
wejść/wyjść.
Konstrukcja regulatora cyfrowego
Podstawowym wymaganiem jest zapewnienie wysokiej niezawodności
działania. Jest to realizowane przez:



Eliminację pamięci dyskowych (zamiast nich pamięci
półprzewodnikowe)



Konstrukcja zapewniająca chłodzenie bez użycia wentylatorów



Stosowanie obudów i wykonań o zwiększonej odporności na
warunki przemysłowe (wibracje, zapylenie, wilgoć itp)



Stosowanie ekranów dotykowych w panelach operatorskich



Stosowanie starszych ale dopracowanych i sprawdzonych rozwiązań
sprzętu i jego elementów

Układy pamięci

1. Pamięć stała (np. EPROM): zawiera dane i oprogramowanie, które

nie powinno być dostępne dla użytkownika (system operacyjny,
biblioteki funkcji standardowych, algorytmy). Rekonfiguracja
możliwa tylko w serwisie.

2. Pamięć zapisywalna (RAM, EEPROM): zawiera dane zmieniane

podczas pracy sterownika oraz definiowane przez użytkownika
(bieżąca konfiguracja, program użytkownika, dane robocze, aktualne
parametry).
RAM – krótki czas dostępu ale wymaga podtrzymywania (bateria lub
kondensator)
EEPROM – długi czas dostępu, ale bez podtrz.

Układ Watch Dog – jest to układ kontrolujący poprawność pracy
procesora. Jeśli odbiera sygnały z procesora to OK, jeśli ich nie dostanie
to interpretuje to jako awarię i wykonuje czynności:
- blokada procesora
-ustawianie wyjść analogowych zgodnie z ustawioną opcją
- zerowanie wyjść binarnych
- blokada komunikacji
- wysyłanie sygnałów o awarii
Wejścia binarne – dokonują zamiany sygnałów logicznych (0,1) na
sygnały możliwe do dalszej interpretacji przez sterownik.

Wejścia analogowe – zamieniają znormalizowane sygnały analogowe z
przetworników pomiarowych na ich reprezentację maszynową. Na
wejścia mogą być podawane sygnały np. prądowe, napięciowe,
rezystancyjne, z czujników temperatury, ciśnienie.
Wejścia są konstruowane jako różnicowe albo jednokońcówkowe. Na
wejściu różnicowym konwertowana jest różnica napięć pomiędzy
wejściem + i -. Na jedno-końcówkowym różnica pomiędzy + a masą.
Wejście różnicowe jest mniej wrażliwe na zakłócenia.
Podstawowe parametry wejść analogowych

1. Rozdzielczość (ang. Resolution) – miara błędu kwantowania,

określonego przez wagę LSB. Jest wyrażana jako waga najmniej
znaczącego bitu

2. Dokładność (ang. Accuracy) – definiowana analogicznie jak klasa

dokładności przyrządów pomiarowych. Jest to wielkość
maksymalnej różnicy pomiędzy wielkością zmierzoną i oczekiwaną.
Jest zależna m.in. od temp. układu.

3. Liniowość (ang. Linearity) – różnica pomiędzy zmierzonymi

zmianami dla dwóch sąsiednich kanałów pomiarowych dokładnie o 1
bit LSB

4. Czas uaktualnienia (ang. Update Rate) – wybranej liczby kanałów –

jest zależny od parametrów sprzętu, czasem może być definiowany.

Wykład dotyczy:
1.Konstrukcja regulatora cyfrowego dokończenie
2.Sterowniki PLC/PAC

Podstawowe układy konstrukcyjne wejść analogowych:
1/ z jednym przetwornikiem A/C( polewej); Z kiloma
przetwornikami ( po prawej)