Universitatea Gheorge Asachi IaiFacultatea de Automatic i calculatoare

Controlere Logice Programabile

Stegariu Constantin VlduGrupa 1302-B

Cap. IIntroducere

I.1 Noiuni generaleAutomat calitatea unui sistem fizico-tehnic de a efectua, pe baza unei comenzi, o operaie sau un complex de operaii fr participarea direct a operatorului uman.Un automat este un dispozitiv, un aparat sau o instalaie , n general, un sistem care opereaz sau funcioneaz n mod automat.Automatizare - aciunea de concepere, de realizare de automate i de echipare a sistemelor fizico-tehnice cu automate pentru efectuarea unor operaii, micri, aciuni etc., fr participarea direct a omului.Automatizarea reprezint introducerea n istorie a mijloacelor de automatizare, adica a mijloacelor ce pot conduce procese fr intervenia omului. Automatica este tiina care se ocup cu studiul sistemelor care conduc procesul tehnologic fr intervenia omului.Cu ct automatizarea este realizat mai optimal, cu att este mai ridicat gradul de automatizare. n instalaiile automatizate operatorul uman preia sarcini de supraveghere, de aprovizionare cu material, de transport a produselor finite, de ntreinere i alte activiti similare. Noile realizri ale electrotehnicii (microprocesoare) accelereaz foarte mult procesele de automatizare. Pe lng protejarea forei de munc umane de activiti grele i monotone, automatizarea ridic calitatea produselor precum i productivitatea proceselor cu o reducere corespunztoare a costurilor pentru resursele umane folosite.

I.2 Controlere logice programabile (PLC)Echipamentele cu logic programat (ELP) sau automatele programabile (AP) sau programmable logic controllers (PLC) sunt echipamente destinate conducerii automate a proceselor industriale. Structura unui proces automatizat cu ajutorul unui automat programabil poate fi sintetizat prin schema bloc prezentat mai jos (fig. 1.1):

Automatul programabil realizeaz astfel cele dou sarcini principale ale automatizrii unui proces: - msura, care n acest caz presupune monitorizarea strii procesului prin achiziia la intrrile automatului, prin intermediul senzorilor, butoanelor, limitatoarelor de curs, etc. a variabilelor de stare din proces; - controlul, care presupune prelucrarea informaiilor primite de la intrri i generarea comenzilor necesare spre elemente de execuie din procesul automatizat, conform unui program specific. Automatele programabile pot nlocui automatizrile discrete ce utilizeaz o comand realizat cu elemente electromecanice, pneumatice sau electronice n logic cablat, aducnd flexibilitate, structur compact, siguran mrit n funcionare i programare uoar i rapid. Un automat programabil poate fi definit ca un sistem specializat destinat pentru tratarea problemelor de logic secvenial i combinaional, simulnd structurile logice de comand printr-o configuraie elastic, programabil.Automatele programabile au fost introduse prima oar n anii 60. Principalul motiv al proiectrii i dezvoltrii acestor sisteme a fost costul ridicat al realizrii, exploatrii i depanrii sistemelor de automatizare cablate, bazate n principal pe relee electromagnetice, care dominau la acea dat sistemele de automatizare industriale. Apariia automatului programabil a fost precedat de elaborarea i sistematizarea unui set de cerine pentru noul sistem de automatizare destinat nlocuirii sistemelor de automatizare cu relee intermediare. Astfel, automatul programabil trebuia s ndeplineasc urmtoarele: s fie comparabil din punct de vedere al preului cu sistemele de automatizare cu relee intermediare; s fie capabil s opereze n mediul industrial; s fie conceput i realizat ntr-o form modular, cu posibilitatea nlocuirii uoare a modulelor; s aib posibilitatea de a transmite datele colectate din proces unui sistem central supervizor; programarea noului sistem trebuia s fie simpl, uor de neles de ctre personalul familiarizat cu sistemele de automatizare cu relee. Primul automat programabil n variant industrial a aprut n SUA sub numele de MODICON 084 (Modular Digital Controller). La mijlocul anilor 70 automatele programabile erau realizate n principal n tehnologia microprocesoarelor cu prelucrare pe bit, iar n 1973 au aprut primele protocoale de comunicaie ntre automate. n anii 80 au aprut primele automate cu microprocesoare cu prelucrare pe cuvnt, i de asemenea au aprut primele tendine de standardizare a protocoalelor de comunicaie. Tot n aceast perioad s-a pus accentul pe reducerea dimensiunii PLC-urilor i prin introducerea programrii software simbolice, realizarea programelor putndu-se realiza din ce n ce mai mult pe calculatoare personale n locul consolelor de programare dedicate, utilizate exclusiv pentru programarea PLC-urilor pn n acel moment. n perioada anilor 90 s-a pus un accent din ce n ce mai mare asupra standardizrii att a modurilor de programare ct i a protocoalelor de comunicaie. Anii 90 au fost de asemenea martorii unei tendine de nlocuire a sistemelor de automatizare bazate pe automate programabile cu sisteme de automatizare bazate pe calculatoare personale, tendin care nu s-a generalizat (automatele programabile dominnd cu autoritate piaa echipamentelor cu logic programat) din urmtoarul motive: automatul programabil este garantat pentru utilizare n condiii severe de "stres" industrial (variaii de tensiune i temperatur, noxe, vibraii).

Cap. IIControlere logice programabile (PLC)

Automatica s-a dezvoltat n decursul a mai multor decenii. n trecut oamenii aufost unealta principal pentrucontrolarea unui sIstem automat.Mai mult n ultimul timpelectricitatea a fost folosit pentru control i primele controale electrice s-au sprijinit perelee.Aceste releepermiteau putereii s fie conectatdirect fr un comutatormecanic. Este normal s foloseti relee pentru a face deciziile de control simple. Dezvoltarea de calculatoare ieftne a avut ca rezultat apariia automatelor programabileProgrammableLogicController(PLC).

II.1 Organizare HardwareExist posibiliti multiple pentru o configuraiehardware PLC, chiar i de la unsingur productor, darpentrufiecare configuraieexistcomponente comunei multe concepte comune.Componentele eseniale ale unei configuraiihardware sunt:-Sursa de alimentare poate fi inclus n automatul programabil sau poate fi de sinestttoare. Nivelele uzuale n configuraiile cu automate programabile sunt : 24Vcc, 120Vac, 220Vac;- CPU (Unitatea Centrala de Procesare) reprezentnd de obicei o unitate de calcul undediagrama tip ladder logic sau programul este stocat i procesat;- Intrri-Ieiriun numr de terminaleintrri-ieiri pentru ca procesul s poat iniiaaciuni i pentru a le putea duce la bunsfrit;- Indicatoricare indic starea curent a PLC-ului ca starea pornit-oprit, program nexecuie, eroare, baterie epuizat. Configuraia unui PLC se refer ntotdeauna la echipamentele ce formeazaconfiguraia complet a automatului programabil(sursa, automat, extensii).- Placa de baz(Rack): n unelemodele mai vechi rack-ul susine cardurile de extensii, prima reprezentnd tot timpul automatul programabil. Placile de baz pot fi conectate una dup alta ca intr-o reea fiind ins limitatehardware. Acest tip dedispunere este costisitor ca pre ns este uor de depanat i ntreinut.

Intrrile i ieirile trebuie monitorizate i controlate pentru a putea conduce un proces tehnologic. Memoria automatelor programabile este realizat cu cipuri de memorie putnd stoca valori binare 0 i 1. Bitul este unitatea de msur elementar a memoriei, gruparea mai multor bii ducnd la cuvntul(word) de memorie. Exist cuvinte de 1 bit, 4 bii, 16 bii, 32 bii i 64 bii. Cuvntul de8 bii se numete octet (byte) i traductori precum i informaiile pe care procesorul le genereaz pentru elementele conectate la ieirile automatului (de exemplu, elemente de execuie) programabil n urma rulrii programului. Memoria program are rolul de a stoca instruciunile ce compun programul automatului programabil.Relativ la pstrarea informaiei, memoriile se clasific n memorii volatile i nevolatile. n cazul memoriilor volatile informaia se pierde la ntreruperea alimentrii acestora dup ntreruperea alimentrii.n lucrul cu memoria se efectueaz trei operaii: scrierea citirea i tergerea. n unele cazuri este avantajos s se efectueze toate cele trei operaii cu memoria, cum sau suprascrierea cu alte date ar duce la imposibilitatea funcionrii automatului programabil sau la funcionarea defectuoas a acestuia. Din motivele artate mai sus pentru memoria de date se va utiliza memoria de tip RAM (random access memory), care este o memorie volatil iar pentru memoria de program se va utiliza o memorie nevolatil de tip EPROM (erasable programmable read only memory), EEPROM (electrically erasable programmable read only memory). Memoriile de tip ROM (read only memory) sunt utilizate numai pentru programul necesar funcionriiprocesoruluiisuntscrisedectre productor,coninutullor radiaie ultraviolet. Dup tergere n aceste memorii poate fi introdus un nou program. Memoriile de tip EEPROM pot fi terse prin aplicarea unei tensiuni electrice de o anumit valoare pe un pin al acestora. Att memoriile de tip EPROM ct i memoriile de tip EEPROM pot fi rescrise de un numr limitat de ori.Interfeele de comunicare cu procesul automatizat, de intrare i respectiv, ieire sunt constituite de totalitatea modulelor electronice dintre magistrala intern i bornele de intrare, respectiv ieire ale automatului programabil. Intrrile i ieirile automatului programabil pot lua valori logice 0 i 1. Intrrile automatului programabil primesc informaii de la traductori sau de la alte elemente de comand din cadrul sistemului de automatizare, pe care le prelucreaz n cadrulprogramului rulat de ctre procesor.Procesorul transmite comenzile rezultate caFiecrei intrri a automatului programabil i se aloc o adres, de la 1 la n. Se spune n acest caz c interfaa de intrare a automatului programabil are n canale de intrri logice. Interfaa de ieire a automatului programabil are, la rndul ei un numr m realizate cu semiconductoare.Interfaa de intrare primete semnale electrice de la traductoare sau de la aparate de comand. n majoritatea situaiilor aceste semnale electrice trebuie prelucrate i necesar o redresare, dac semnalul este alternativ, pentru eliminarea regimurilor tranzitorii se practic filtrarea sau integrarea. Este foarte important delimitarea pragului ntre cele dou stri logice: 0 i 1. Pentru separarea galvanic a electronicii interne a automatului programabil de restul electric. n acest mod se evit posibilitatea ca procesorul i memoria s fie strbtute de supratensiuni din exterior. De obicei starea logic a unui canal este semnalat prin aprinderea sau stingerea unei diode LED. Tot n cazul acestei prelucrri a semnalului de intrare poate aprea necesitatea amplificrii i formrii semnalului logic care se transmite apoi pe magistrala intern a automatului.n funcionarea automatelor programabile este posibil funcionarea n logic pozitiv sau n logic negativ. Cele dou noiuni se explic astfel: n cadrul

logicii pozitive 1 logic se asociaz unei valori mari de tensiune iar 0 logic se asociaz unei valori reduse de tensiune, n timp ce n cadrul logicii negative avem situaia invers: se consider 1 logic pentru un prag redus de tensiune i 0 logic pentru un prag nalt de tensiune.

II.2 Organizare Software Aceast etap din utilizarea unui automat programabil se poate realiza prin metode diferite. Metoda de programare este legat direct de felul n care a fost conceput automatul de ctre productor. Este posibil realizarea programelor prin scrierea de liste de instruciuni sau prin limbaje de programare grafic. Seturile de instruciuni pe care le poate interpreta automatul programabil difer de la productor la productor i de la model la model. Limbajele de programare grafic sunt, la rndul lor de dou tipuri: cu simboluri bobin i contacte de releu (Ladder), respectiv limbaje de programare bazate pe GRAFCET. Primul tip de limbaj de programare grafic, cu simboluri de bobine i contacte de releu, este o reminiscen a perioadei logicii cablate dar este intuitiv i nu necesit cunoaterea sintaxei listelor de instruciuni. Programarea efectiv a automatelor programabile se realizeaz cu ajutorul consolelor de programare sau cu ajutorul PC-urilor pe care este instalat un soft de dezvoltare furnizat de productorul automatului. Atunci ce utilizeaz listele de instruciuni programul reprezint o niruire de astfel de instruciuni care sunt particularizate pentru automatul programabil respectiv, de ctre productorul acestuia. Altfel spus, automate programabile provenind de la productori diferii vor putea interpreta instruciuni diferite. Instruciunile cu care se programeaz automatele programabile au dou pri: partea prin care se nominalizeaz operaia logic i, sau etc. i cealalt parte, care conine adresa operandului, adic locaia din memorie ce conine informaia asupra creia se opereaz instruciunea respectiv. Operaiile sunt codificate de productorul automatului programabil care realizeaz corespondena ntre o anumit instruciune i o tast a consolei de programare, de exemplu, fiecrei taste corespunzndu-i i un simbol grafic. Totalitatea acestor simboluri grafice compune mnemonica automatului programabil. Este de la sine neles c tastatura consolei de programare este adaptat mnemonicii automatului programabil. n structura programului este de preferat s se respecte o anumit structur, pentru implementarea sistemelor logice combinaionale:1.Iniializare; 2.Preluarea datelor de la intrri i stocarea lor n locaii de memorie;3.Calcularea expresiilor logice necesare funcionrii sistemului logic combinaional; 4.Rularea ciclic a programului. n cazul, implementrii sistemelor cu logic secvenial structura programului se recomand s fie urmtoarea: 1.Iniializare; 2.Achiziia datelor de la intrri i stocarea n memorie; 3.Calcularea ecuaiilor biilor de stare ce descriu evoluia sistemului cu logic secvenial; 4. Actualizarea biilor de stare; 5. Calculul ecuaiilor de ieire; 6. Rularea ciclic a programului.Programarea cu simboluri de tip contact i bobin de releu: Aceast metod de programare este foarte adecvat pentru utilizarea de ctre specialitii din domeniul automatizrilor care au o bogat experien n realizarea schemelor de automatizare cu relee i contactoare. n mod obinuit, se concepe schema n varianta clasic dup carese introducen calculatorcu ajutorul utilitarului de programare, prevzut cu o interfa de desenare. Limbajul grafic de programare se mai numete i limbajul releelor, ntruct programele, n acest caz se compun dintr-o niruire de reele de contacte.

Exemplificarea logicii pozitive i respectiv negative n logica pozitiv valoarea 1 logic se consider pentru o valoare mare a tensiunii iar valoarea 0 logic pt. o valoare mic a tensiunii; in logica negativ este invers.

Exemplu de schem electronic pentru un canal de intrare logic (iat un bun exemplu de separare galvanic a celor dou circuite prin optocuplorul OC se observ utilizarea tensiunilor de valoare diferit, 24V pe partea diodei D3 respectiv 5V pe partea fototranzistorului T1).

Interfaa de ieire realizeaz conversia semnalelor de ieire de pe magistrala intern a automatului programabil n semnaleprin care potfi acionateelementele de execuie sau elementele de semnalizare i avertizare necesare conducerii procesului n care este implementat automatul programabil. Elementele de execuie sunt foarte felurite, n funcie de procesul condus: electroventile, contactoare, motoare electrice, servomotoare, dispozitive pneumatice sau hidraulice. Elementele de semnalizare pot fi optice i acustice, sub form de semnalizare, hupe i aa mai departe. Ieirile pot fi n curent continuu la tensiuni de 24V, 48V i 110V la cureni de 0,25A, 1A i 2A sau pot s fie n curent alternativ, cu frecvena de 50 Hz la tensiuni de 24, 48, 110, 230 V i intensiti de 0,25A, 1A, 2A i 5A . Ieirile pot fi de tip electromagnetic, atunci cnd se folosesc relee electromagnetice sau pot s fie de tip electronic, dac se folosesc elemente de comutare static. Cele de tip electromagnetic au dezavantajul de a avea o caden de funcionare limitat din pricina pieselor n micare, durat de via relativ scurt, datorat uzurii pieselor n micare ale releului dar prezint avantajul puterii mare de rupere prin contactele releelor i a separrii galvanice a circuitelor. Ieirile de tip electronic au durat de via foarte ridicat i prezint avantajulunei cadene foarte mari datorat comutaiei statice. n cazul n care nu se utilizeaz relee electromagnetice pentru asigurarea separrii galvanice se impune utilizarea n cadrul interfeei de ieire a optocuploarelor, care funcioneaz la fel ca i n cazul interfeei de intrare, separnd galvanic automatul programabil de elementele strbtute de tensiuni i cureni mari. i n cazul ieirilor se practic semnalizarea cu LED-uri a strii ieirii logice.

Captur de ecran dintr-un utilitarul PLC Simulator: n fereastra ndeprtat (maximizat) avem o diagram Ladder(pt. programare n limbajul releelor), fereastra din mijloc este fereastra de editare a diagramei Ladder iar fereastra din fa arat configuraia utilajului automatizat.

Exemplu de schem cu contacte i relee (ladder diagram) pentru comanda unui elevator acionat de dou motoare M1(pt.urcare) i M2(pt.coborre). Semnificaia simbolurilor se explic n continuare.