Automate programabile capitolul 2
description
Transcript of Automate programabile capitolul 2
-
Cap. 2. Structuri de
automate programabile
2.1. Automate programabile. Definiii i
caracteristici. Tipuri de automate
programabile
-
Prelucrarea informaiilor ntr-un sistem cu relee sau tranzistoare
este determinat de conexiunile existente ntre elementele ce
prelucreaz semnalele.
Fiecare aplicaie cere ca proiectantul s selecteze o combinaie
unic de elemente de prelucrare a semnalelor, relee sau circuite
tranzistorizate (de exemplu circuite numerice integrate) i s le
conecteze ntr-un mod particular, pentru a se obine funcia
dorit.
n consecin, exist puine asemnri ntre diferite aplicaii,
ceea ce conduce la creterea costului sistemului. Modificri
ulterioare realizrii sistemului nu se pot face n scurt timp i la un
cost redus.
-
Automatele programabile (AP) sunt echipamente electronice
destinate automatizrii proceselor industriale cu caracter preponderent
secvenial, situate din punct de vedere al complexitii ntre
echipamentele cu relee sau tranzistorizate i calculatoarele
electronice.
Automatele programabile au depit performanele tehnico-
economice ale dispozitivelor de comand realizate n logic cablat
prin:
capacitate sporit de prelucrare a datelor,
flexibilitate n adaptarea la cerinele procesului de condus i la
modificri post instalare,
simplitate n programare.
-
Flexibilitatea, fiabilitatea, insensibilitatea la perturbaii
precum i o serie de cerine privind facilitile oferite la
introducerea sau la modificarea programelor de lucru sunt
doar cteva dintre caracteristicile de baz ce se impun la
ora actual echipamentelor de conducere pentru
majoritatea aplicaiilor (inclusiv pentru cele ce utilizeaz
roboi industriali). ntr-o mare msur aceste cerine sunt
acoperite de automatele programabile.
-
Este foarte important de menionat c n contextul actual este
foarte dificil de dat o definiie a automatului programabil.
Diversitatea firmelor productoare i a tehnologiilor impuse pe
pia au determinat existena unei game variate de automate
programabile.
ntr-un sens general, putem spune c un automat programabil
este un dispozitiv specializat, care asigur, cu un minim de
intervenie uman, funcionarea unei maini sau instalaii de
producie.
-
Prin concepia sa, automatul programabil:
este adaptat pentru funcionarea n mediu industrial,
poate opera ntr-o plaj larg de temperatur i umiditate,
este uor adaptabil la interfaarea cu orice proces i
nu pune probleme deosebite privind instruirea personalului de
deservire, datorit facilitilor de programare oferite.
Toate aceste caracteristici, la care se mai pot aduga:
robusteea general a echipamentului i
preul de cost relativ redus,
fac ca automatele programabile s constituie o pondere
important n sistemele de conducere ale roboilor industriali i ale
proceselor de producie n general.
-
Automatul programabil este un sistem ce realizeaz, cu logic
programat, toate funciile cerute de procesul condus (comandat),
diferenele ntre aplicaii fiind doar cele de program de aplicaie
(program nscris n memorii de tip EPROM, care prezint avantajul
modificrii simple i rapide a informaiei nscrise).
Automatele programabile sunt destinate conducerii proceselor
secveniale de complexitate medie, din diverse ramuri de activitate,
cum ar fi:
maini-unelte, maini de injecie, prese;
linii de turnare sau galvanizare de complexitate medie, linii
de transfer;
manipulatoare i roboi industriali etc.
-
Pentru aplicaii de mare complexitate, caracterizate prin:
timpi de rspuns extrem de redui,
calcule aritmetice complexe,
transferuri multiple de date,
conducerea proceselor devine posibil doar prin utilizarea
calculatoarelor de proces, care:
au ns un cost mare i
necesit personal cu nalt calificare pentru ntreinerea i
dezvoltarea sistemului.
-
Consideraiile expuse (capacitate sporit de prelucrare, flexibilitate,
simplitate) au determinat introducerea unor dispozitive desemnate s
opereze cu o singur intrare sau ieire binar la un moment de timp dat,
configurate asemntor sistemelor cu relee. Aceste dispozitive au fost
denumite automate programabile cu prelucrare de bit (APB).
Bazndu-se pe o organizare simplificat de calculator de proces i
beneficiind de un set de instruciuni redus, APB realizeaz prelucrri
numerice simple de date, n principal logice i, n proporie redus,
calcule aritmetice, fiind ns capabile s interfaeze, ntr-un context de
siguran n funcionare ridicat, un numr de canale infor- maionale
de intrare i ieire de un bit, asociate procesului condus (de exemplu
4096 I/E).
-
Pentru aplicaii de vitez mare pot fi folosite automate
programabile algoritmice, realizate cu un nivel de
programare (microprogramate). Acest tip de automate
beneficiaz de o formalizare standard a problemei de
conducere prin organigrame de stri.
-
Atunci cnd volumul prelucrrilor de date este mare, iar
formatul datelor este de tip paralel, sunt utilizate AP ale cror
uniti centrale, de tip microcalculator, ofer posibilitatea
calculelor logice i aritmetice pe 4, 8, 16 sau 32 de bii.
Aceste AP cu prelucrare de cuvnt (APC) pot fi interfaate,
de obicei, prin tehnici de acces direct la memorie (DMA) cu
uniti de tip APB, constituind astfel sisteme complexe de
conducere, ce acoper n mod eficient totalitatea funciilor
logice i aritmetice.
-
Cu toate c n arhitectura general a unui APB, dezvoltat
n jurul unei magistrale la care sunt conectate canalele de I/E
asociate procesului, unitatea central i memoria sugereaz
structura unui calculator, diferenele sunt majore.
Unitatea central a APB este o unitate logic capabil s
interpreteze un set restrns de instruciuni (de obicei pn la
64 instruciuni) ce exprim funcii de baz, cum ar fi:
evaluarea expresiilor booleene cu atribuirea rezultatului
logic unei variabile memorate sau unui canal de ieire,
secvene de numrare sau de temporizare.
-
Execuia instruciunilor este ciclic. Aceast noiune de
"ciclu" permite adesea suprimarea practic a software-ului de
baz i renunarea la principiul ntreruperilor.
Derularea ciclic rapid a unui program liniar (sau n orice
caz fr salturi napoi) n raport cu timpii de rspuns ai
procesului permite sesizarea evenimentelor la puin timp dup
ce apar, fr riscul pierderii de informaie.
-
Programarea simpl a automatelor programabile const n
scrierea direct a unui ir de instruciuni, conform unei:
diagrame de semnal,
ciclograme,
organigrame sau
unui set de ecuaii booleene.
Diversitatea acestor puncte de plecare pentru programare
demonstreaz intenia constructorilor de automate
programabile de a se adapta cunotinelor i preferinelor
utilizatorilor.
-
Tipuri de automate programabile
Categoria de automat programabil se bazeaz pe eliminarea n ct
mai mare msur a structurilor logice cablate i pe nlocuirea acestora
cu structuri logice standard programabile cum ar fi:
memorii,
reele logice programabile,
secveniatoare logice programabile,
microprocesoare i
circuite specializate programabile.
Metodele specifice de descriere a comportrii automatelor
programabile rmn metodele organigramei de stri (ASM), metoda
Grafcet, respectiv metoda ladder.
-
Datorit necesitii de utilizare n aplicaii industriale
diverse, o configuraie de automat programabil conine i o
interfa de intrare/ieire, realizat prin circuite specifice de
multiplexare/demultiplexare, memorare, separare galvanic,
adaptarea nivelului semnalului, care n ansamblu confer
structurii de automat programabil unele similitudini cu
calculatorul de proces.
Structurile de AP asociaz configuraiei de conducere de
baz i o interfa de dialog cu operatorul, dialog ce se
realizeaz prin intermediul consolei de programare a AP.
-
Clasificarea automatelor programabile se poate face dup dou
criterii de baz:
principiul de funcionare al secveniatorului i
suportul fizic al acestuia.
Dup primul criteriu, automatele programabile se pot clasifica
n dou categorii:
A) AP la nivel de instruciune;
B) AP algoritmice.
Automatele programabile din prima categorie se aseamn cu
structurile de tip calculator de proces, prin aceea c
individualizeaz un ciclu instruciune, n care fazele de extragere a
instruciunii i de execuie a acesteia sunt marcate de un ceas
specific sistemului, iar transferurile de date se execut sincron.
-
n funcie de dimensiunea unitilor aritmetico-logice i deci a
magistralelor de date se disting:
1. AP cu prelucrare de bit sau scalare, pentru care magistrala de
date are capacitatea de 1 bit, iar prelucrrile (n principal logice)
se efectueaz asupra unor operanzi binari de 1 bit.
2. AP cu prelucrare de cuvnt sau vectoriale, care extind gama
de prelucrri la calcule aritmetice asupra unor operanzi de 8, 16
sau 32 de bii.
3. AP mixte (sau biprocesor), care conin dou uniti
aritmetico-logice ce pot lucra respectiv asupra unor operanzi de
1 bit sau asupra unor operanzi de 8, 16 sau 32 de bii.
-
Din a doua categorie (a automatelor programabile
algoritmice) fac parte automatele programabile la care
generarea noii stri se execut printr-un ciclu de acces direct
la o memorie n care sunt codificate explicit tranziiile de
stare.
n funcie de nivelurile de programare, se pot distinge
dou tipuri de automate programabile algoritmice:
cu un singur nivel de programare,
cu dou niveluri de programare.
-
Referitor la suportul fizic de implementare a
secveniatorului ct i a unitii aritmetico-logice, se pot
distinge:
AP cu microprocesor,
AP realizate cu componente discrete.
Cererea n cretere de automate programabile a avut
drept rezultat realizarea de ctre cei mai muli productori a
unei varieti de automate programabile, cu diverse niveluri
de performan i diverse faciliti.
-
Definiiile uzuale referitoare la mrimea unui automat programabil
sunt date n funcie de dimensiunea memoriei program utilizator i
de numrul de intrri/ieiri pe care l poate suporta automatul
programabil.
Totui pentru a evalua serios un automat programabil trebuie luate
n considerare mai multe caracteristici suplimentare (de exemplu
caracteristicile procesorului su, durata ciclului program, facilitile
limbajului de programare, funcii, capacitatea de extindere etc.).
n tabelul urmtor este dat un exemplu al acestor categorii:
Mrime AP Numr maxim deintrri/ieiri
Dimensiunea memoriei program
utilizator
Mic
Mediu
Mare
64/64
128/128
>128/ >128
1K
4K
> 4K
-
n general, automatele programabile mici sau mini (au
aprut chiar i aa numitele nano) sunt proiectate ca
uniti robuste, compacte, care pot fi montate pe sau alturi
de echipamentul ce trebuie condus.
Ele sunt n principal utilizate pentru a nlocui logica
cablat, releele, blocurile de temporizare, numrtoarele
etc., dar pot fi utilizate de asemenea la conducerea unor
maini lucrnd n conexiune unele cu altele.
-
Automatele programabile mici pot avea numrul de
intrri/ieiri extensibil prin adugarea unuia sau a dou
module de intrare/ieire. Dar orice dezvoltare cerut
suplimentar deseori nseamn nlocuirea ntregii uniti. n
mod normal este realizat cu un singur procesor, cu
meninerea la un nivel mediu a facilitilor de programare,
permind controlul secvecial i funcii standard simple:
temporizri, numrri. Pentru programare de obicei se
poate utiliza fie modalitatea listei de instruciuni, fie
diagrama ladder.
-
La automatele programabile medii predomin
construcia modular plug-in ce se bazeaz pe fundul
de sertar Eurocard 19" sau a unui alt sistem de montare
(de exemplu tip baret). Aceast construcie permite
nlocuirea simpl sau extinderea sistemului prin
introducerea de module (plci) de intrare/ieire adiionale
sau a altor tipuri de module, deoarece cele mai multe
sisteme cu fund de sertar au un spaiu suplimentar
prevzut pentru extensii. Plcile sunt fcute durabile
pentru a permite operarea fiabil ntr-o diversitate de
medii de lucru.
-
n general acest tip de automat programabil este folosit pentru
sarcini de control ce nu pot fi realizate de automatele programabile
mici, datorit numrului insuficient de intrri/ieiri sau deoarece se
prevede ca sarcina de control s se extind n viitor. Unele
automate programabile medii au incluse faciliti de comunicaii ce
permit ca automatul programabil s fie inclus ntr-un sistem de
control distribuit.
Astfel de automate programabile pot avea att un procesor de bit,
ct i unul de mai muli bii (cuvnt). Programarea se poate face fie
folosind o consol de programare, fie utiliznd un calculator, iar
modalitile de programare sunt fie list de instruciuni, fie
programare grafic prin diagrame ladder sau diagrame Grafcet.
-
Automatele programabile mari sunt utilizate atunci cnd sunt
necesare funcii complexe de control cu un numr mare de intrri
i ieiri. Sunt construite modular, cu un domeniu larg de tipuri de
module, inclusiv module de intrri/ieiri analogice, module de
control PID i module de poziionare pe 1 sau 3 axe.
Au o structur multiprocesor att cu procesor de bit ct i cu
procesor de 16 sau 32 de bii (chiar 64), dar i cu procesoare
specializate pe modulele funcionale. Aceast soluie
multiprocesor optimizeaz performanele sistemului general
privitor la viteza de operare, permind automatului programabil s
manipuleze programe foarte mari.
-
2.2. Comparaia automat programabil -
alte sisteme de conducere
Dei automatele programabile sunt similare calculatoarelor
convenionale din punct de vedere al tehnologiei hardware, ele au
caracteristici specifice, potrivite controlului industrial:
echipament robust, imun la zgomot;
construcie modular, permind nlocuirea/adugarea uoar de
uniti (de exemplu module de I/E);
nivele de semnal i conectri intrare/ieire standard;
limbaj de programare uor de neles;
uor de programat sau de reprogramat n proces.
Aceste caracteristici fac ca automatele programabile s fie mult
dorite ntr-o mare varietate de procese industriale i situaii de
control a proceselor.
-
Automatul programabil a fost iniial conceput de un grup de
ingineri de la General Motors n 1968, pentru care automatul
programabil trebuia s fie:
uor de programat i reprogramat, de preferat n proces,
pentru a modifica secvena sa de operaii;
uor de ntreinut i reparat - de preferat utiliznd module
plug-in;
mai fiabil n mediul industrial;
mai mic dect echivalentul cu relee;
competitiv ca i cost, n raport cu logica cablat sau logica
cu relee ce se utiliza atunci.
-
Aceasta a strnit interesul inginerilor din toate ramurile
industriale asupra modului n care ar putea utiliza automatele
programabile pentru controlul industrial.
Astfel a aprut o cerere de faciliti i capaciti adiionale
pentru automatele programabile, care au fost rapid
implementate cnd tehnologia a devenit disponibil.
Seturile de instruciuni s-au mutat rapid de la simplele
instruciuni logice ctre includerea contorizrilor,
temporizrilor i registrelor de deplasare, apoi ctre funcii
matematice mai avansate.
S-au produs de asemenea dezvoltri ale hardware-ului, cu
mai mult memorie i cu un numr mai mare de intrri/ieiri
(I/E).
-
n 1976 a devenit posibil controlul modulelor I/E aflate
la distan fa de sistemul central al automatului
programabil.
Un automat programabil bazat pe microprocesor a fost
introdus n 1977 de ctre Corporaia Allan-Bradley n
America. El se baza pe un microprocesor 8080, dar utiliza
un procesor suplimentar pentru a trata instruciunile logice
pe bit la viteze mari.
-
Rata n cretere a aplicaiilor cu automate programabile n industrie a
ncurajat productorii s dezvolte familii ntregi de sisteme bazate pe
microprocesor, avnd diverse niveluri de performan. Limitele
automatelor programabile disponibile acum se extind de la uniti
mici, ncorpornd 20 de I/E digitale i 500 de cuvinte instruciune,
pn la sisteme modulare, cu module funcionale ce se pot aduga, de
exemplu pentru:
intrri/ieiri analogice;
control PID;
controlul poziiei unui numr de axe;
comunicaii;
display grafic;
I/E adiionale;
memorie adiional etc.
-
Abordarea modular permite extinderea sau actualizarea ("upgrade")
sistemului de control cu costuri i perturbaii minime.
Automatele programabile se dezvolt de fapt n acelai pas cu
microcalculatoarele, cu o atenie particular asupra automatelor
programabile mici, controlului numeric/de poziionare i reelelor de
comunicaii.
Piaa pentru automatele programabile mici a crescut rapid ncepnd cu
anii 1980, cnd un numr de companii japoneze au introdus uniti
foarte mici, cu un pre mic, care au fost mult mai ieftine dect celelalte
disponibile la acea dat. n zilele noastre se observ o tendin
crescnd de achiziionare a AP, ntruct productorii realizeaz
automate din ce n ce mai performante, la preuri din ce n ce mai mici.
-
An Natura dezvoltrii
19681969
1974
1976
19771980
1983
1985 i apoi
S-a dezvoltat conceptul de automat programabil. Automat programabil cu CPU hardware, cu instruciuni logice, cu 1 K de
memorie i 128 I/E. Utilizarea ctorva procesoare ntr-un automat programabil - temporizri
i contorizri, operaii matematice; 12 K de memorie i 1024 I/E. Au fost introduse sisteme pentru I/E aflate la distan A fost introdus automatul programabil bazat pe microprocesor. S-au dezvoltat module inteligente de I/E. S-au extins facilitile de
comunicaii i caracteristicile software. Utilizarea microcalculatoarelor caajutoare n programare.
S-au introdus automate programabile mici, cu pre redus. Reele de automate programabile, calculatoare sub standardul GM MAP,
la toate nivelurile.
Controlul ierarhizat, distribuit al proceselor industriale.
-
Terminologie. Exist civa termeni diferii, utilizai pentru a
descrie automatele programabile, n literatura de specialitate de
limb englez:
PC - "programmable controller" = controler programabil
(origine: Marea Britanie);
PLC - "programmable logic controller" = controler logic
programabil (origine: american);
PBS - "programmable binary system" = sistem binar
programabil (origine: suedez).
Echivalentul romnesc al controlerului (logic) programabil este
termenul de automat programabil, termen ce deriv din
echivalentul din limba francez, "Automate programmable".
-
Prin natura lor, aceti termeni tind s descrie automatele
programabile ca lucrnd normal ntr-un mediu binar (on/off).
Cum toate AP, ncepnd de la cele mai mici sunt echipate
acum pentru a procesa intrri i ieiri analogice, aceste
etichete nu sunt reprezentative pentru capacitile lor. Din
acest motiv (i altele) termenul general de controler
programabil a fost adoptat pe larg pentru a descrie familia de
controlere programabile.
-
Tabelul de mai jos prezint o comparaie ntre diverse sisteme de
conducere. Informaii tehnice suplimentare pot fi obinute de la
productorii fiecrui sistem specific.
Caracteristic Sisteme cu relee Logic digital(cablat)
Calculatoare de
proces
Automate
programabile
pre/funcie destul de mic mic mare mic
mrime fizic voluminos foarte compact destul de compact foarte compact
vitez de operare mic foarte mare destul de mare mare
imunitate la zgomot
electric
excelent bun destul de bun bun
instalare consumator de timp
pentru proiectare iinstalare
consumator de timp
pentru proiectare
consumator foarte
mare de timp
pentru programare
simplu de
programat iinstalat
capabil de operaiicomplicate
nu da da da
uurin nschimbarea funcieirealizate
foarte dificil dificil destul de simplu foarte simplu
uurin nintreinere
slab; numr marede contacte
slab, daccircuitele integratesunt lipite
slab; mai multeplci uzuale
bun; ctevaplci standard
-
Dup cum se observ, automatele programabile constituie cea mai
bun alegere general pentru un sistem de control, n afar de cazul n
care fundamental este cerut vitez de operare sau rezisten la zgomot
electric, caz n care sunt alese logica digital cablat i respectiv releele.
Pentru funcii complexe de tratare a datelor, un calculator este
superior multor automate programabile echipate cu module funcionale,
dar doar din punctul de vedere al realizrii funciilor, nu al utilizrii lor.
Un automat programabil este mai eficient datorit trecerii datelor
ctre modulele de funcii speciale, care apoi trateaz funcia de control
independent de procesorul central - un sistem multiprocesor.
Automatele programabile au caracteristici hardware i software care
le fac atractive ca i controlere pentru un domeniu larg de procese i
echipamente industriale.